水下磁耦合谐振无线电能传输技术及应用研究综述

文海兵, 宋保维, 张克涵, 闫争超

水下磁耦合谐振无线电能传输技术及应用研究综述

文海兵, 宋保维, 张克涵, 闫争超

(西北工业大学 航海学院, 陕西 西安, 710072)

相较于传统的湿插拔水下电能补给方式, 磁耦合谐振式无线电能传输(MCR-WPT)技术具有绝缘性好、结构简单、电能传输安全性高、操作方便等优势, 在水下航行器等海洋机电设备电能补给方面有良好的应用前景。文章首先介绍了MCR-WPT技术的基本结构和工作原理, 重点关注了海洋环境下MCR-WPT的特殊性; 分别从机理研究和应用研究两方面阐释了水下MCR-WPT技术的研究现状与热点问题; 最后分析了该技术待解决的关键问题及其发展趋势, 主要包括电能传输机理、电磁耦合器设计、系统海洋环境适应性、电磁兼容性以及新材料的应用。文中研究旨在为我国水下MCR-WPT技术的发展和应用提供参考。

水下航行器; 磁耦合谐振; 无线电能传输; 海洋环境

0 引言

海洋蕴藏着丰富的生物资源、矿产资源及可再生能源, 是全球生命支持系统的重要组成部分, 也是人类社会可持续发展的宝贵财富。水下航行器等海洋机电设备是人类开发利用海洋资源的重要工具。能源问题是制约水下机电设备在海洋中长时间连续工作的主要因素。受水下航行器体积限制, 其自带的电池有限, 无法满足工作需求。目前, 水下航行器主要通过定时上浮到海面, 利用母船或近岸线缆进行能源补给。这种工作方式效率低, 大量能源被消耗在航行器往返行程中, 且隐蔽性差。当前, 欧美发达国家正在建设的海洋观测网络[1]主要包括海底基站、传感器、水下航行器等设备, 通过光纤网络、浮标等方式将探测数据传回到地面工作站, 实现对海洋各种环境参数的全天候实时监测。我国目前也在东海和南海建设有海洋观测网络[2]。海洋观测网络中的海底基站为水下航行器提供了水下电能补给节点, 在电能即将耗尽时, 水下航行器航行到就近的海底基站, 与海底基站进行自动对接, 应用无线电能传输技术进行电能补给, 电能补给完成后继续执行相关任务。由此, 可显著提高水下航行器的工作连贯性和隐蔽性。将无线电能传输技术运用于水下电能补给, 电能发送端和接收端不需要电路间的物理连接, 可避免传统湿插拔电能补给方式由于金属接插件接触引起的火花、漏电、磨损和积炭等安全隐患[3], 可有效提高水下航行器能源补给的安全性。

目前, 根据工作原理的不同, 无线电能传输主要包括电场耦合式、磁场耦合式、微波辐射、激光和超声波等方式。由于海水导电, 故在海洋环境下电场耦合式很难使用; 磁场耦合式又分为感应耦合式和谐振耦合式, 其中感应耦合式是基于变压器原理, 其传输距离较小, 仅为毫米级别; 微波辐射和激光无线电能传输的实质都是利用电磁波束来代替导线, 其缺点是传输效率低, 工作频率较高, 对生物体有严重影响; 在水下利用超声波传输电能需要高效的换能器, 且电能传输效率较低。磁耦合谐振式无线电能传输(magnetica- lly-coupled resonant wireless power transfer technology, MCR-WPT)系统在近、中距离时, 都能实现电能的大功率高效传输, 特别适合海洋环境下水下航行器等机电设备的电能补给。

目前关于无线电能传输技术的综述文献较多, 但少有针对水下MCR-WPT的综述。牛王强[4]总结了水下无线电能传输研究进展, 但其研究侧重于系统的技术指标。文中针对水下MCR-WPT进行研究进展综述, 从介绍其工作原理出发, 分析阐释目前国内外对MCR-WPT的研究现状和热点问题, 讨论尚待解决的关键问题及发展趋势。

1 水下MCR-WPT基本结构及工作原理

1.1 基本结构

MCR-WPT系统典型结构如图1所示。主要由电源、高频逆变电路、发送端补偿电路、电能发送线圈、电能接收线圈、接收端补偿电路、整流滤波电路和负载等组成。海底基站的电能经过高频逆变后, 输出给发送线圈, 在磁耦合谐振作用下, 接收线圈与发送线圈产生耦合谐振, 接收的电能经过整流滤波后, 可用于蓄电池充电等电能补给需求, 从而实现电能从海底基站到水下航行器的无接触式传输。

图1 磁耦合谐振无线电能传输系统典型结构原理图

典型的MCR-WPT系统为两线圈结构, 包括电能发送线圈和电能接收线圈, 如图2(a)所示。Kurs等[5]提出了四线圈结构, 如图2(b)所示, 其系统包括2个谐振线圈、1个与电源相连的电源激励线圈和1个与负载相连的负载线圈。该结构能进行电源匹配和负载匹配, 实现了电源与电能发送线圈隔离, 负载与接收线圈隔离。周杰[6]在水下MCR-WPT系统中采用了三线圈结构: 在电能发送线圈和接收线圈中增加1个谐振中继线圈。Zhang等[7]提出了1种包含2个电能发送线圈、1个接收线圈的三线圈结构, 如图2(c)所示。

1.2 工作原理

采用电路互感理论, 可分别得到上文中提到的3种MCR-WPT系统结构的等效电路, 如图2所示[5,7](以发送线圈侧串联电容与接收线圈侧串联电容补偿(series-series, S-S)为例)。

图2 MCR-WPT系统基本结构等效电路图

在MCR-WPT系统中, 电源供电给电能发送线圈, 当频率为系统谐振频率时, 发送线圈一侧会发生谐振, 将使线圈中产生较大的电流, 建立较强的磁场。由于谐振的作用, 发送线圈一侧的电容中储存的电场能与电感线圈中的磁场能不断地进行交换。在接收线圈一侧, 由于接收侧感应线圈和发送侧感应线圈的磁场相互耦合, 交变的磁场在接收线圈中感应产生电流。当接收线圈一侧也发生谐振时, 其中感应线圈的磁场能与电容中的电场能不断地进行能量交换, 由此实现了电能从发送端到接收端, 再到负载的无线传输。四线圈结构和三线圈结构中系统电能传输工作原理与此类似。两线圈结构的优点是结构简单, 但系统电能传输性能易受线圈偏移等影响; 四线圈结构隔离了高频电源和负载对谐振线圈的影响, 便于阻抗匹配, 缺点是耦合次数增多, 在海水中损耗增加; 三线圈结构可适当增大传输距离, 减少涡流损耗, 降低谐振线圈偏移对系统电能传输性能的影响, 缺点是多线圈耦合易产生失谐问题。

2 水下MCR-WPT研究现状与热点问题

2.1 机理研究

2.1.1 涡流损耗

与空气相比, 海水具有良好的导电性能(空气电导率为0 s/m, 海水电导率为1~6 s/m)。当线圈中有高频交变电流时, 会产生交变高频磁场, 交变磁场会产生涡旋电场, 进而在海水中产生涡旋电流, 并由此产生较大的电涡流损耗。相比于空气, 海水中MCR-WPT系统的传输效率和性能会有所下降。对涡流损耗的研究对于揭示水下MCR-WPT机理具有重要意义。

陈鹰团队[8-9]采用理论推导和有限元仿真相结合的方法分别研究了罐型磁芯和PM型磁芯电磁耦合器的涡流损耗。对罐型磁芯的研究发现, 涡流损耗导致的能量损失主要产生于磁芯窗口处, 采用绝缘密封胶灌封磁芯窗口可有效降低涡流损耗[8]。对PM型磁芯的研究表明, 涡流损耗与电磁耦合器间隙(即传输距离)、激励电流和谐振频率有密切关系, 优化系统工作频率可明显提高电能传输效率[9]。朱春波等[10]研究发现, 当系统工作频率超过一定值(约为36 kHz)时, 涡流损耗将明显超过系统的铜损和铁损, 成为能量损失的主要来源。张克涵等[11]分析了圆柱形线圈中电涡流损耗与线圈半径、谐振频率、传输距离和磁感应强度等因素的关系, 并进行了试验验证。

2.1.2 电路拓扑

由于空气和海水的电导率和相对介电常数有较大差异, MCR-WPT系统在海水中会产生涡流损耗, 因此文中提到的互感电路模型将无法准确解释MCR-WPT系统电能传输机理。李泽松[8]研究认为, 电磁耦合器的电能发送线圈和接收线圈之间存在跨接等效电容, 且线圈自身也存在并联的电容。在空气中, 其相对介电常数为1, 电容值很小, 但海水的相对介电常数为81, 线圈之间的等效电容远大于空气中的电容。罐型磁芯电磁耦合结构中, 两线圈之间具有较大的截面积, 线圈之间的跨接等效电容远大于线圈自身的并联等效电容。因此基于互感电路模型建立了具有线圈跨接等效电容的全互感模型, 如图3所示。在此基础上, 建立了等效电路的阻抗矩阵、导纳矩阵及传输矩阵, 并求解了全互感模型。研究表明, 在谐振频率处于高频段时, 全互感模型具有较好的理论适用性。

图3 海水MCR-WPT系统电磁耦合器全互感模型

阎龙斌[12]研究认为, 由于电涡流损耗会消耗电能, 这部分消耗的能量将会转化成热量而散失, 故可将电涡流损耗等效为电阻, 称为涡损阻抗。将电能发送线圈和接收线圈产生的电涡流损耗分别等效到互感电路模型两侧, 得到修正后的互感电路模型, 如图4所示。根据基尔霍夫定律列写电流电压方程并求解。试验表明, 修正互感模型中的等效涡损阻抗反映的涡流损耗具有较高的准确性。

图4 海水MCR-WPT系统修正互感模型

在电路谐振补偿拓扑结构方面, 空气中磁耦合谐振无线电能传输技术研究的相关结论[13-14]可适用于海水中。

2.1.3 海洋环境影响

对于海水中的MCR-WPT系统, 实际海洋环境会对系统电能传输产生较大影响。一方面, 电磁耦合器易受海流冲击影响。通常海流冲击会造成电磁耦合器间隙改变、磁芯间产生偏心, 从而改变耦合状态, 由此影响系统传输性能。因此, 在MCR-WPT系统最关键部件——电磁耦合器的设计中要重点考虑其抗海流冲击能力。另一方面, 由于深海高压环境中的压磁效应, 电磁耦合器的铁氧体磁芯磁导率会下降, 导致系统参数发生变化, 耦合性能降低, 系统电能传输性能下降。此外, 海水盐度、温度、微生物附着等环境干扰也会引起系统参数的变化, 影响电能传输稳定性。

李泽松[8]研究发现, 当磁芯间隙较小时, 海流冲击造成的电磁耦合器偏心对电感影响很大, 间隙较大时, 偏心对电感影响较小。相较之下, 耦合系数受偏心的影响与间隙关系不大。因此, 根据实际运用场合及磁芯结构, 合理选择磁芯间隙可有效降低海流冲击对系统电能稳定传输的影响。深海高压造成铁氧体磁芯磁导率下降, 电磁耦合器自感、互感等参数也随之下降, 但系统耦合系数受海水压力影响可忽略不计。等效磁导率由间隙长度和磁芯等效长度决定, 当磁芯等效长度远小于间隙长度时, 等效磁导率受海水压力影响很小。适当增大磁芯间隙可减小海水压力对系统电能传输性能的影响。周杰[6]研究表明, 选择不同环境下的最优谐振频率, 可有效降低海洋环境参数对系统传输性能的影响。马运季[15]指出, 海水温度的变化会影响海水介质的电导率和介电常数, 随着温度的升高, 电导率增大而介电常数减小, 进而影响海水中MCR-WPT系统的传输特性。富一博[16]初步研究了海水压力的变化对系统电能传输性能及稳定性的影响。

此外, 空气中MCR-WPT系统采用的阻抗匹配[17]、最大功率跟踪[18]等方法仍可适用于海水中MCR-WPT系统电能的稳定传输。

2.2 应用研究

2.2.1 水下航行器无线电能补给

运用MCR-WPT在水下利用海底基站的电能直接对航行器进行无线电能补给是水下MCR- WPT最重要, 也是最热门的应用研究领域。Bradly等[19]研发了水下无线电能传输系统, 为自主水下航行器MIT/WHOI Odyssey II进行水下充电, 该系统可在2000 m水深为航行器传输200 W的电能, 传输效率79%。日本东北大学和NEC公司[20]联合研发了为水下航行器充电的无线电能传输系统, 系统传输功率可达1 kW, 效率在90%以上。Assaf等[21]研制了为水下机器鱼无线输电的MCR-WPT系统。Pyle等[22]研发了在海底为无人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)平台Proteus进行电能补给的无线充电坞站系统(见图5)。当UUV侧舱内的小型航行器需要电能补给时, UUV释放航行器, 通过导航控制使其进入海底的坞站内进行无线充电, 完成充电后, 小型航行器又重新回到UUV侧舱内继续执行任务, 该系统电能传输效率为450W。

图5 无人水下航行器无线充电坞站系统

我国在此领域起步较晚, 但发展迅速, 目前已取得了一定成果。浙江大学陈鹰教授团队[6, 8-9]成功研发了多套利用海底基站电能为水下航行器进行电能补给的MCR-WPT系统, 并分别完成了实验室测试、湖试和海试。系统电能传输功率和传输效率不断提升, 目前功率已达700 W, 效率在90%左右。

2.2.2 海洋观测浮标系统无线电能补给

海洋观测浮标系统上密集分布着许多传感器, 传统传感器主要依靠自身携带电池工作, 电池体积、质量较大且电能有限, 直接限制了传感系统移动灵活性和工作持续时间。MCR-WPT的发展为其电能补给提供了较好的解决方案。McGinnis等[23]在阿罗哈(夏威夷)-蒙特利海湾海底观测网(Aloha-Monterey acclerated research system, ALOHA-MARS)的基础上, 为锚系海洋剖面观测器研发了无线电能补给系统, 该系统在2 mm间隙时传输功率为250 W, 效率在70%以上。Yoshioka等[24]研究了对三角跨海洋浮标系统(triangle trans-ocean buoy network, TRITON)中水下传感器进行无线供电的装置。其电能发送线圈和接收线圈同时绕在锚泊线上, 系统可同步传输电能和数据, 工作频率为100 kHz, 接收线圈可得到180 mW的功率。李醒飞等[25-26]利用海洋浮标系统无线供电装置给水下设备进行无线供电, 如图6所示。系统中海洋浮标的钢缆构成为电能发送线圈, 钢缆外套着铁氧体磁芯构成了圆形电磁耦合器, 耦合器的接收线圈完成钢缆和水下设备之间的能量传输。系统工作频率为40 kHz, 传输功率约为23 W, 传输效率约60%, 系统可同步传输电能和数据。

图6 海洋观测系泊浮标MCR-WPT系统结构

3 关键问题及发展趋势

水下与空气中MCR-WPT的基本传输原理和系统结构大致相同。尽管近年来水下MCR-WPT已取得了一些发展成果, 但由于海水的导电性、海洋环境的特殊性以及应用领域的独特性, 目前仍有诸多关键问题亟待解决。

3.1 海水MCR-WPT技术机理

互感电路模型在揭示海水MCR-WPT机理时不再适用, 如前文所述的全互感模型[8]和修正互感模型[12]等都仅适用于电路局部分析, 无法全面系统揭示海水MCR-WPT电能传输机理。在海水涡轮损耗研究方面, 目前的研究均针对特定的电磁耦合器, 研究结果没有普适性, 且涡流损耗理论研究和数值仿真的准确性有待提升, 难以为系统电能传输效率、功率等关键性能的优化提供理论指导。因此, 需要形成全面、系统的电路模型, 在此基础上, 从理论推导、数值仿真和试验测试等多方面精确定量分析涡流损耗, 研究涡流损耗产生机理和影响因素, 准确揭示海水MCR-WPT系统电能传输机理, 为提升系统电能传输性能提供理论依据。

3.2 电磁耦合器设计

电磁耦合器是水下MCR-WPT系统的最关键部件, 其性能决定了系统的电能传输性能。在电磁耦合器的设计中, 既要考虑其性能, 又要结合实际应用场合, 考虑其安装、对接等需求和抗海流冲击干扰等多种因素, 此外, 还要协调传输距离与电磁耦合器体积之间的矛盾。

针对水下航行器无线电能补给系统, 研究人员已设计出多种结构的电磁耦合器。Kojiya等[20]设计了特殊形状的电磁耦合器和锥形线圈(见图7(a)), 极大提升了其电能传输性能。陈鹰等针对具体海底基站与航行器的接驳结构, 分别设计了罐型(见图7(b))[8]、PM型(见图7(c))[9]、同轴型(见图7(d))[27]电磁耦合器。王司令等[28]提出了分别安装在海底基站和航行器腹部的环形电磁耦合器结构(见图7(e))。朱春波等[10]研发了基于松耦合变压器磁芯结构的半封闭式电磁耦合器(见图7(f))。Kan等[29]提出了一种三相的电磁耦合器结构, 理论分析表明其性能优于同轴式电磁耦合器(见图7(g)), 且具有良好的抗航行器横滚干扰的优点。

图7 适用于水下无线电能补给的不同结构电磁耦合器

尽管这些电磁耦合器能满足特定结构的水下航行器无线电能补给需求, 但它们一般只具有某一方面的优点, 其综合性能往往无法达到最优。如何形成一套系统的电磁耦合器设计理论方法, 并结合实际应用需求, 对电磁耦合器进行优化, 使其综合性能达到最优, 显得尤为迫切。此外, 在电磁耦合器设计时, 还应考虑电能与数据的混合传输问题。

3.3 海洋环境适应性

如前文所述, 海洋环境中的海流冲击、深海高压导致的压磁效应、海水盐度、温度、微生物附着等干扰会引起水下MCR-WPT系统参数的变化, 影响电能传输稳定性。文献[6]、[8]、[15]、[16]的研究深度不足, 且缺乏系统性, 提出的增强系统海洋环境适应性的措施未经过试验测试验证, 不具有普遍适应性。与空气相比, 海洋应用环境显得尤为特殊, 海洋机电设备一般为无人系统, 水下深海高压环境使得维护成本非常高, 而且某一设备的故障易造成海洋观测网络系统的整体故障, 损失无法估量。因此, 在各种海洋环境因素干扰下, 水下MCR-WPT系统电能稳定高效传输显得极其重要。结合具体使用环境, 深入分析各海洋环境参数对MCR-WPT系统的影响机理, 以系统电能稳定传输为目标, 有针对性地提出提升系统海洋环境适应性的措施, 具有极其重要的实用价值。

3.4 电磁兼容性

水下MCR-WPT系统的电能发送线圈和接收线圈在工作时会产生高频交变强电磁场, 部分电磁场会发射到系统之外, 容易对水下航行器等海洋机电设备的导航、声呐、引信等电子部件产生干扰, 影响其正常功能, 甚至引起误动作, 造成损坏。在军事应用中, 水下MCR-WPT系统电磁场向外辐射, 也将严重降低水下航行器的电磁隐身性能。另一方面, 海洋机电设备的电子、电气部件工作时产生的高次谐波也会对水下MCR-WPT系统造成干扰, 当高次谐波和系统谐振频率接近时, 干扰最严重, 会导致系统电能传输效率严重下降。因此, 需要解决水下MCR- WPT系统的电磁兼容问题, 采取有效措施减小系统对外界的电磁干扰, 同时增强系统的抗外界电磁干扰能力。目前, 此问题未引起研究者足够重视, 仅有Kan等[29]采取数值仿真的方法研究了MCR-WPT系统对水下航行器电子部件的电磁干扰问题。李泽松[8]研究发现, 电磁耦合器金属外壳可以起到电磁屏蔽的作用, 但磁芯间隙的漏磁通会在金属外壳产生涡流损耗, 降低系统效率, 通过在金属外壳与磁芯之间增加薄铜皮作为屏蔽层可减少涡流损耗, 同时实现电磁屏蔽效果。Lu[30]提出了可通过对优化耦合线圈布局, 增加屏蔽线圈, 从而有效降低杂散磁场, 同时不影响系统电能传输效率。Syahroni[31]对水下航行器采用电磁和声波吸波材料, 可有效提升其电磁隐身性能。周洪[32]总结的MCR-WPT系统的电磁环境安全性在水下应用时也应得到重点关注。

3.5 新材料的应用

水下MCR-WPT系统的目标是为水下航行器等海洋机电设备提供长距离、大功率、高效率和稳定的无线电能补给, 同时尽量减少系统对外界的电磁干扰, 增强系统抗外界电磁干扰的性能。近年来, 随着新材料的发展及其在MCR-WPT中的成功运用, 以上限制被逐渐突破。

水下MCR-WPT系统的电能发送线圈和接收线圈产生的铜损是主要的系统能量损耗。在特定条件下可实现零电阻的超导材料能够有效降低系统铜损。Chung等[33]利用超导材料制成电能发送线圈, 相比于普通线圈, 超导材料线圈的电能传输效率明显升高, 此外, 试验测试还表明超导线圈可成功用于大距离无线电能传输系统。

超材料是指具有普通天然材料所不具备的超常特殊物理性质的材料, 一般为人工复合材料。具有介电常数和磁导率都为负值等特殊电磁性质的电磁超材料可运用于MCR-WPT技术中。Wang[34]通过试验测试发现, 将电磁超材料运用于MCR-WPT系统中, 可增加线圈之间的耦合, 同时还能建立均匀的电流分布, 增强磁场, 极大提高传输效率。康乐等[35]针对海水中电磁波损耗大而带来的MCR-WPT系统传输效率低下的问题, 提出运用电磁超材料“放大”消逝波, 从而增强电磁波能量密度, 使系统传输效率显著提升。

4 结束语

MCR-WPT技术近年来发展迅猛, 由于其具有可在电能发送端和接收端物理隔离的情况下实现电能传输的特点, 使得其在水下航行器等海洋机电设备电能补给领域具有广阔的应用前景。文中在介绍水下MCR-WPT系统结构和工作原理的基础上, 分别从机理研究和应用研究两方面综述了其研究现状和热点问题。最后讨论了水下MCR-WPT待解决的关键问题和发展趋势, 包括: 海水MCR-WPT技术机理、电磁耦合器设计、海洋环境适应性、电磁兼容性以及新材料的应用等。可以预计, 该项技术将会被广泛应用于海洋机电设备电能补给领域。

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Underwater Magnetically-Coupled Resonant Wireless Power Transfer Technology and Its Applications: A Review

WEN Hai-bing, SONG Bao-wei, ZHANG Ke-han, YAN Zheng-chao

(School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

The magnetically-coupled resonant wireless power transfer(MCR-WPT) technology has the advantages, such as good insulation, simple structure, high power supply security, and convenient operation,compared with the conventional wet plug interface power supply technology, this technology has good prospects of application to underwater power supply for marine electromechanical equipmentlike undersea vehicle. This paper introduces the underwater MCR-WPT technology in terms of the basic structures and principles, with emphasis on its particularity in marine environment; discusses the research status and hot topics of MCR-WPT from the aspects of mechanism and application; and analyzes the technical problems to be urgently solved and the development trends, with respect to power transfer mechanism, design of electromagnetic coupler, system adaptability to marine environment, electromagnetic compatibility and new materials. The purpose of this paper is to provide a reference for development and application of underwater MCR-WPT in China.

undersea vehicle; magnetically-coupled resonant; wireless power transfer; marine environment

TJ6; U674.941; TM154

R

2096-3920(2019)04-0361-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.04.001

文海兵, 宋保维, 张克涵, 等. 水下磁耦合谐振无线电能传输技术及应用研究综述[J]. 水下无人系统学报, 2019, 27(4): 361-368

2019-04-11;

2019-05-29.

陕西省自然科学基础研究计划项目资助(2018JM5033).

文海兵(1989-), 男, 在读博士, 主要研究方向为水下无线电能传输技术.

(责任编辑: 陈 曦)