无线电能传输技术的发展及其水下应用趋势浅析

富一博，于 沨

（大连测控技术研究所，辽宁 大连，116000）

无线电能传输技术的发展及其水下应用趋势浅析

富一博，于 沨*

（大连测控技术研究所，辽宁 大连，116000）

无线电能传输技术作为一种新型电能传输技术，由于其具有强大的环境适应性，可以避免传统充电方式的诸多不便，特别适合在特殊环境使用，近年来广受科研工作者的关注。本文从无线电能传输技术的水下应用角度出发，阐述了无线电能传输技术的发展历史、工作原理，对不同原理的无线电能传输技术做了比较，提出了对目前无线电能传输技术在水下应用方面的研究现状与不足，并探讨了水下无线电能传输技术的发展趋势。

无线电能传输技术；水下应用；水下电能补给。

搜救、探测等任务的重要性。基于当前的技术和特性，目前我国所使用的水下设备大都使用传统供电方式

进行电能传输。有缆水下机器人（Remote Operated Vehicle，ROV）多采用脐带缆由水面电源进行供电，由于受到脐带缆长度的限制，ROV的活动性受到一定的阻碍；无缆水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）多用蓄电池类化学式动力源，或热

能和核能类的物理式动力源。由于电池仓的搭载，

AUV负重增加，灵活性受到了一定程度的阻碍，尤其是军用 AUV，在执行探测、导航、攻击等特殊任务时，对于自身体积、灵活性以及续航能力提出更高的要求。我国第一台水下1000 mAUV所携带的铅蓄电池重量高达126 kg，在一定程度上制约了其用途的扩展。对于水下采集器或海底测量系统，则是依靠蓄

电池类化学式动力源进行电能供给。为了节约成本，一些水下测量系统采用一次性电池。若电池电能不足，

则需要回收电池组设备并打开电池仓进行充电或电

池更换，之后再次投放。这种打捞—更换—投放式的水下测量系统续航模式大大增加了运行成本。而且，电池组充电接口频繁插拔很难保证电池仓有一个良好的水密性和安全性。因此，如何避免打开电池仓就可进行系统续航的新型供电模式的需求被提了出来。

无线充电技术是近年来备受国际学术界关注的一项新的能量传输技术。由于这项技术能够有效地解决有线充电存在的诸多缺点，比如充电线的存在造成的移动充电接口裸露、容易产生接触火花、灵活性差、外形不美观等问题，因此无线充电技术特别适用于工作在特殊环境的设备进行安全供电，比如易燃易爆环境或者水下环境。采用无线充电的方式可以使充电电源和负载电路完全隔离，两侧的电路可以进行独立封装，不仅可以保证水密性，消除了摩擦和漏电的危险，还能使设备的耐压性显著增强。在深海工作条件下，设备的工作能力也可以得到加强。水下无线充电作为无线电能传输技术的一个重要领域，国内对此方面的研究相对较少。目前我国的水下用电系统，包括已经研制成功的自制水下机器人系统，能源动力问题的解决方案研究主要集中在提高电池能量密度上，尚无采用无线供电技术的案例。无线电能传输技术由于不存在电路间的直接耦合，从而可以从根本上解决目前所拥有的维护困难、灵活性差、安全性差等突出问题。有望成为制约未来海洋工程发展水平的一项关键技术。

1 发展及研究现状

1.1 无线充电技术的发展

无线电能传输技术的概念的提出最早的概念的提出最早可追溯至19世纪。从19世纪30年代开始，英国科学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday）首先发现了电磁感应现象，即因为磁通量的变化产生感应电动势的现象。1890年，克罗地亚科学家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）提出一个大胆的构想：把地球作为导体，在地球与电离层之间建立起低频共振，利用环绕地球的表面电磁波来远距离传输电力[1]。特斯拉建成一座高达187英尺的铁塔，开始相关研究工作，但由于种种后续问题，研究并没有取得实际成果。直到20世纪90年代，飞利浦公司出于防水的目的，第一次在牙刷产品中使用了无线充电技术。该产品提供一种专门的充电器，内置线圈，通电后产生变化的磁场，在牙刷内部内置的接收线圈感应到充电器产生的磁场后产生感应电荷，并将电荷传输给内部电池[1]。

2007年6月，麻省理工大学（MIT）科研小组的助理销售马林·索尔贾希克（Marin Soljacic）和他的研究小组首次利用磁共振技术成功点亮了距离电力发射端2 m以外的一盏60 W灯泡，即使在电源与灯泡中间摆上木头，金属或其他电器，都不会影响灯泡发光。这项论文的发表掀起了全世界范围内对无线电能传输技术研究的热潮。

1.2 分类

目前已问世的无线电能传输技术中，按照原理分类，主要分为三种：第一种是电磁感应式，它利用变化的电流通过初级线圈产生磁场，变化的磁场再通过次级线圈感应出电场，从而实现电能的传输。电磁感应式无线电能传输是目前发展较为成熟的一种技术，应用领域最广。第二种是电磁共振式，它利用电磁耦合的共振效应实现电能传输，一般而言，采用共振式的传输距离要比感应式略远，MIT的实验就是基于共振原理。磁场共振技术适用于在短距离内需要大功率电源的环境，如机器人、汽车、真空吸尘器等；第三种是电磁波发射式，它是将电力以微波的形式发射，通过微波辐射的方式到达接收端，相对于前两种原理，采用电磁波发射式的传播距离最远，可以达到10 m左右，但是功率小，传输效率低，而且应用领域较窄，例如在水中，电磁波衰减极大，如采用电磁波发射式则会大大降低系统传输效率。

1.3 研究现状

随着技术的发展，电子元件逐渐趋向于微型化。人们对电子设备便捷性的需求日益加深，世界各国学者对无线电能传输技术均有研究，其理论基础和应用范围都在扩大。新西兰和美国在电能传输理论和实际应用方面均有多项成就，以奥克兰大学Pro. Boys为首的课题组是该领域先进水平的代表。日本则侧重于实用设计方案，目前已有多项技术成果投入使用；德国在耦合器结构分析和优化方面有传统的优势；加拿大在的研究侧重于电力机车的无线供电技术研究方面；南非研究了系统优化和变压器设计，韩国涉及非接触变压器理论分析；中国内地在分离式变压器、系统电路和应用领域各有所涉及[2]。

我国在该领域的研究直到2000年才开始起步，相对于世界其他国家均起步较晚。开始起步时，主要针对直接耦合的方式进行研究，并在汽车上有一定的应用。2007年MIT的论文发表之后，掀起了世界各国的研究热潮，中国也才开始逐渐加大研究力度。2010年，无线充电联盟在北京宣布将QI无线充电国际标准率先引入中国，无线充点联盟是全球首个推动无线充电技术标准化的组织。而且在学者们的不断呼吁之下，国家自然科学基金委员会将无线电能传输的项目列入指南，有很多科研小组得到了该项目基金的支持。目前无线充电技术虽然在某些特定产品中有所实现，但还不够成熟，还处于研究的初级阶段，是一个有广阔的市场前景的研究方向。

目前国内涉足无线电能传输领域主要以高校和研究机构为主，也有一些科技公司在该领域上也有所涉足，在小型无线充电产品上有一定的研究。浙江大学、哈尔滨工业大学、天津工业大学、河北工业大学、南京航空航天大学、大连理工大学、重庆大学、东南大学等高校，海尔集团、华为公司等企业，中科院电工所等科研机构均进行过研究。

在无线电能传输技术的水下应用方面，浙江大学流体传动及控制国家重点实验室有较成熟的研究经验，在水下电磁耦合器结构、线圈优化设计、充电系统控制方面均有一定的成果[3-5]；西北工业大学将研究重点落在水下电磁耦合器磁场分析、电路结构优化等方面[6-8]；国防科技大学在针对于AUV的水下无线充电系统设计上有所研究[2]。

2 无线供电技术的水下应用发展趋势

人类开发海洋的范围不断扩大，要求水下潜器的工作范围更大，深度更深，工作时间更长；同时，由于作业的复杂性和综合性，也要求水下潜器在功能上有更高的集成度。基于现有的技术和相关的研究，无线供电技术的水下应用逐渐向结构多样化、功能集成化以及发展瓶颈明朗化发展。

2.1 结构多样化

虽然在便携式电子设备的无线充电方面，国际以出台多种标准，但是由于工业用电标准不统一、设备有差异，无线供电技术逐渐向结构多样化发展。

以线圈绕组方式来说，可分为单面绕组式和双面绕组式。采用单面绕组的磁耦合器绕组所需宽度大，而且位置偏移对电能传输的影响较大，经计算，使用半径为140 mm、匝数为50匝的圆形线圈，在垂直距离为3 cm的条件下，当重心偏移量达到4 cm时（约为线圈直径的 14%），线圈之间的互感接近于 0。而且采用单面绕组结构线圈背面存在漏磁通，设置屏蔽板（如铝板）可在一定程度上阻止这种泄漏。但单面绕组利于实现器件小型化、扁平化和轻量化，有时不需设置磁芯或铝板仍可正常工作，由于单面绕组具有扁平化优势，因此特别适合低功率的小型便携式电子设备，很多手机无线充电器就是采用这种结构。

无线供电系统需要向“短、小、轻、薄”的方向发展，平面变压器就是基于这个发展趋势而被提出来的一种新技术。它是一种呈低高度扁平状或超薄型的变压器，其绕组一般是由折叠式铜箔、印制电路板上的印制铜线或直接沉积于此行波抹磁性薄膜上的铜线条构成，美国亚特兰大大学Jae. Park研制出的小型平面变压器最小尺寸为2.6 mm×2.6 mm×70 μm。双面绕组的耦合系数较高，所需宽度较小，而且发生位置偏移时，对电能传输的影响较小。所以双面绕组特别适合汽车无线充电。由于磁芯形状、结构不同，双面绕组可以实现结构多样化，例如奥克兰大学设计的Flux Pipe构造，日本琦玉大学设计的H型磁芯双面绕组构造。

按磁芯结构分类，可分为无磁芯结构、嵌入式结构、线性结构、E型磁芯结构、旋转结构，其中旋转结构按照线圈布局或磁芯的不同又可分为多种类型。在此不做过多介绍。根据实际应用场合的不同，应采用最适合的电磁耦合器结构类型。

根据水下设备精度低，姿态控制相对困难的特点，采用允许相对旋转的罐型磁芯最为适合，而且罐型磁芯具有良好的电磁屏蔽特性，可以减少外界的电磁干扰。由日本东北大学（Tohoku University）研制的自主式水下运载器电能补给系统便采用了此种方式，系统设有额外的水下基站，基站上有两个线圈，一个是发射电能用的初级线圈，另一个是接受电能用的次级线圈，这两个线圈并不是相互配对的。AUV通过导航和对准系统将安装于头部的接受装置对准基站的能量发射端，实现水下供电；当基站电能不足时，水面舰船可以采取同样方式对基站进行电能补给。

日本海陆科学技术公司投放的海洋观测系泊浮标“TRITON”采用的供电系统是针对水下浮标测量系统所设计的一种无线电能传输方案。TRITON的水面浮标通过系泊钢缆与海底的重物相连。系泊钢缆上每隔一段距离就装有一个水下传感器。系统初级线圈绕制在系泊钢缆上，与水面浮标相连。系泊钢缆可以被看作是变压器的铁心，为了避免海水腐蚀性的影响，水下电缆和初级线圈由一种半透明的塑胶外皮覆盖。次级线圈绕制塑胶外皮外侧，与初级线圈相互平行。次级线圈和水下传感器封装在密闭的水下气缸当中。相对于水下基站式的结构而言，可以更便捷地应用到浮标系统当中。

2.2 功能集成化

能量和信号是现代电气和电子工程最重要的两个概念，在一个电气系统中，系统运行的动力靠能量供给，而系统提供运行状态、控制命令等则靠信号提供[9]。在一个无线供电的系统中，除了要求电能可以实现从发射端到接收端的传输之外，发射端还需发送控制指令，同时接受端也需要反馈系统设备运行状态、监控信息等等。这就需要一个无线供电系统同时具备电能传输和信号传输的能力。限于应用条件，基于无线供电的信号传输频率不是很高，不适于较长距离的传输，因此无线供电系统的信号传输以近场传输为主。目前主要有两种方式：

（1）独立式。基于独立式信号传输系统的无线供电系统设置两组线圈，能量传输线圈和数据交换线圈，两组线圈独立放置。同时，能量传输线圈和数据交换线圈的排列方式也有两种，相互垂直放置或相互水平放置，但无论采用哪种放置方式，能量和信号相互串扰的问题是不可避免的，任意一个线圈都会与其他三个线圈发生耦合，能量传输线圈的能量会耦合数据线圈上，造成大量的能量损失，并严重干扰数据的传输。

（2）高频注入式。高频注入式感应信号传输系统与独立式感应信号传输系统不同，能量和信号的传输采用同一磁路，利用相同的初、次级线圈进行工作。将高频的数据信号波加载在相对较低的工作频率的电能传输波形上形成复合波，经初级线圈通过耦合磁路，经次级线圈到达次级电路，在次级端通过一个高频滤波电路将相对频率较高的数据信号检出。由于书记信息包含在信号波的频率和相位中，只要信号波在传输过程中损失的能量在一定的范围之内，都不会影响数据传输。为了减少由于相位差的存在造成的数据信号波与能量信号波相抵消，工作时应使两波形的初始相位相同。

2.3 瓶颈明朗化

（1）电能传输不稳定。这是无线电能传输系统，不仅仅是共振式，也包括感应式存在的一个共性问题。尤其对水下设备的无线供电系统要求更高。因水流冲击的影响，耦合器之间的距离不会是固定不变的，而是会发生距离的增减、位置的偏移或相对旋转。这都会对耦合器的性能产生影响。从而影响电能传输效率。海水作为电的良导体，电磁耦合器产生的高频电磁场会在海水中引起涡流，造成能量损失。深海的高压环境也会对铁氧导体的磁导率下降，系统参数发生变化，传输能力下降[5]。同时电能传输的不稳定因素并不仅仅来源于外界干扰，系统本身也存在着影响电能传输的因素。由于耦合器的无接触结构，磁路的磁阻大大增加，励磁电感小；漏电感大，线圈耦合系数低。

（2）距离体积有矛盾。在无线电能传输系统的研究中，当距离增大时，要想达到同样的电能传输效果，需要加大传输线圈的半径。而线圈半径不能无限制地增加，因此存在着增大传输距离与缩小系统体积之间的矛盾。

（3）生物安全难保证。在无线电能传输系统当中，无论是能量还是信号的载体都是高频电流，和高频电磁场，势必会对周围的环境和生物造成一定的影响，但是关于这一点目前还没有一个明确的结论。

3 结语

无线充电技术由于其特有的安全性、便捷性而成为当今研究的热点问题之一。很多发达国家，包括美国、德国、日本、新西兰等都已经开始效力于该技术的推广和应用，从家庭、工业到各个特殊行业。尤其是无线供电技术的水下应用更是可以解决现今水下运载器、测量系统、潜标系统等存在的能量补给问题。尽管无线供电系统也存在着一些缺点，如稳定性差、传输效率不高等。但我相信在广大科研工作者的努力下，这一技术的发展将会有更好的条件、更光明的前景。

[1] 曾繁屏. 浅谈无线充电技术及其航标应用的展望[C]//中国航海学会航标专业委员会沿海航标学组无线电导航学组内河航标学组年会暨学术交流会论文集. 福州, 2013:221-224.

[2] 张凯. 非接触供电技术及其水下应用研究[D]. 长沙: 国防科学技术大学研究生院, 2008.

[3] 汪海洋, 李德骏, 周杰, 等. 水下非接触电能传输耦合器优化设计[J]. 中国科技论文, 2012, 7(8): 622-626.

[4] 陆晴云, 李德骏, 李泽松, 等. 海洋环境下非接触式电能传输系统的优化设计[J]. 传感器与微系统. 2011, 30(12):112-118.

[5] 李泽松. 基于电磁感应原理的水下非接触式电能传输技术研究[D]. 浙江: 浙江大学, 2010.

[6] 张克涵, 唐凡, 严卫生, 等. 水下自主航行器非接触式充电系统补偿电路设计[J]. 电气自动化, 2012, 34(6): 76-78.

[7] 唐凡, 张克涵, 严卫生, 等. 水下自主航行器非接触式充电系统频率控制[J]. 舰船科学技术, 2013, 35(2): 43-46.

[8] 文海兵, 胡欲立, 张克涵, 等. 水下航行器非接触式充电电磁耦合器磁场分析[J]. 计算机测量与控制, 2013, 21(2):458-476.

[9] 毛赛君. 非接触感应电能传输系统关键技术研究[D]. 南京:南京航空航天大学, 2006.

Development and a Simple Analysis of Wireless Power Transfer Using Underwater

FU Yi-bo, YU Feng*

（Dalian Institute of Observation and Control Technology, Dalian 116000, China）

Wireless Power Transfer (WPT) has

serious attention as a new-type power-transfer technology due to its powerful environmental adaptability which can avoid lots of inconvenience which the traditional way of power transfer has and especially suitable for using underwater. The development and the working principle of WPT were introduced, and WPT of different principles was compared. Giving opinions of the research and insufficient of WPT using underwater, and the development tendency of it was discussed.

wireless power transfer; submersible service; underwater power supply

TM724

A

1008-2395(2014)06-0030-04随着我国科技不断发展创新，对海洋的开发进一步深入，必然需要大量的水下设备。包括水下救生、探测、导航、考古等。其中一个需要解决的重要问题就是水下设备的供能问题。2014年马航MH370事件更是让人们意识到了水下设备的可持续工作对完成

2014-11-02

富一博（1990-），男，硕士研究生，研究方向：海洋工程。

于沨（1958-），男，研究员，研究方向：水声工程。