如何高效实现水下航行器的无线充电？哈工大科研人员发布研究成果

哈尔滨工业大学（威海）新能源学院、哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院的研究人员蔡春伟、武帅、张言语、刘金泉、杨世彦，在2020年第14期《电工技术学报》上撰文，基于磁耦合谐振原理，设计一套基于弧形线圈和二次侧控制的无线充电系统，对水下自主航行器无线充电技术有一定的借鉴意义。

海洋中蕴藏着丰富的矿产与生物资源，人类正在尝试对海洋领域做进一步探索与开发。水下自主航行器（Autonomous Underwater Vehicle, AUV）作为探测海洋的重要装备，将在海洋资源开发、海洋生物研究等领域发挥重要作用。

但是，续航能力不足、巡航范围受限是限制AUV广泛应用的瓶颈之一。传统接触式充电有短路风险，而且需要母船跟随保障。无线充电技术通过非物理直接接触的方式对用电设备补充电能，可有效提高充电系统的安全性与便捷性。

正是这些优点，使无线充电技术应用于电动汽车、AGV、无人机等多个领域。通过在海底基站及人工浮台上布置AUV水下无线充电系统，不仅能避免海水引起的安全隐患，还能实现充电过程全自动化，推进无人值守的海洋观测网建设进程。

关于AUV无线充电技术，目前研究还较少。2001年美国North Caroliana State大学研究团队研发出200W功率等级的AUV水下无线充电系统，初步验证水下无线充电技术的可行性。日本Tohoku大学和NEC公司在2004年联合开发了应用于AUV无线充电的锥型磁耦合装置，并搭建了500W功率等级的实验系统。

近些年，美国San Diego State大学的Chunting Chris Mi教授团队在应用于AUV无线充电的磁耦合装置方面开展了大量研究，致力于开发出能有效抵抗AUV滚动错位且漏磁小的磁结构。

国内以浙江大学、西北工业大学和哈尔滨工业大学研究团队为代表，浙江大学的陈鹰教授团队对AUV水下无线充电技术开展了深入研究，利用罐型磁耦合装置搭建了AUV无线充电系统，并研究了海水压强对磁参数的性能影响规律。此外，该团队还利用环型磁耦合装置搭建300W的AUV水下无线充电系统样机，并进行了实际水下充电测试。

西北工业大学张克涵教授团队基于环型磁耦合装置设计了水下无线充电系统，该系统具有输出电压增益稳定的优点，并对海水中能量传输机理和涡流损耗情况进行了研究与分析。哈尔滨工业大学海洋自主航行器研究所针对AUV水下无线充电系统的磁设计和水下能量稳定控制方面开展了大量研究，已提出无需改变AUV外形的形磁耦合装置，并搭建测试系统。

无线充电系统的能量传输与控制涉及到磁耦合装置、能量传输系统和能量控制系统三部分。磁耦合装置作为实现能量传递的关键部件，由发射和接收两部分构成；能量传输系统负责将电能稳定、可靠、高效地输送到用电设备内部，通常由电源系统、高频逆变器、谐振补偿电路、整流及滤波电路构成。

无线充电系统不可避免会出现错位情况，导致能量传输系统输出发生变化，而且电池充电过程中耐受的电压和电流能力不断变化，这就需要能量控制系统来实时对系统功率进行调节。能量控制系统通常由能量调节主电路、采样及反馈系统和控制器三部分构成。

相比大气中无线充电系统，AUV无线充电系统面临AUV外形为圆弧形状、海水介质会引起涡流损耗、海水中不便于建立稳定无线通信、洋流及海洋生物对系统的对接姿态产生扰动四个主要问题。

特殊外形造成磁耦合装置设计困难；海水涡流损耗会降低系统效率；对接姿态变化对能量传输与控制系统稳定性提出严格要求；在无通信模式下如何实现系统功率控制及如何保证系统安全，这都增加了水下无线充电技术的难度。

针对以上问题，哈尔滨工业大学的科研人员从磁耦合装置、能量传输拓扑及充电功率控制系统三部分开展研究，设计一套基于弧形线圈和二次侧控制的无线充电系统，为水下自主航行器无线充电形成一定的技术积累，期望对AUV无线充电技术发展提供一定的借鉴作用。

图1  磁耦合装置结构与装配

首先，提出一种可适应AUV特殊圆弧外形且接收端体积小、质量轻的磁耦合装置，利用有限元分析和实际测试对磁耦合装置进行性能分析，得知磁耦合装置具有良好的磁场自约束能力和耦合系数高达0.53的耦合能力。该装置具有可适应水下自主航行器特殊圆弧外形、接收端质量轻、磁场自约束效果好的优势。

图2  磁耦合装置实物

其次，对能量传输与控制系统进行设计和分析，设计系统运行可靠、二次侧独立控制的能量传输和控制拓扑，分析接收侧Buck变换器对充电电压和电流的调节作用，得到占空比与充电电压和电流的关系，并完成闭环环路设计。采用二次侧控制方式，调节Buck电路占空比实现系统恒流与恒压充电控制。最后，通过搭建实验平台验证了该方案的可行性。

图3  无线充电系统实验装置

测试结果表明：该系统可实现对48V电池组（恒流阶段设定11A，恒压阶段设定54.1V）正常充电，系统最大充电功率600W，对应效率88.3%。

以上研究成果发表在2020年第14期《电工技术学报》，论文标题为“基于弧形线圈结构的无线充电系统能量传输与控制”，作者为蔡春伟、武帅、张言语、刘金泉、杨世彦。