水下無人航行器水下無線充電關(guān)鍵技術(shù)研究

豐利軍，朱春波，張劍韜，余林剛

(1. 中國人民解放軍92942 部隊(duì)，上海 200235；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

目前，海洋觀測設(shè)備的能源主要來自水面船舶電纜或海底電纜，無纜設(shè)備則依賴于自身儲能裝置。海底電纜工程的建設(shè)受地域建設(shè)條件、海洋工程條件和施工設(shè)備等條件的限制，涉及技術(shù)領(lǐng)域廣泛，投資規(guī)模較大，施工技術(shù)復(fù)雜。無纜設(shè)備受限于自身儲能裝置的容量，其布放范圍以及自持能力都受到嚴(yán)重制約。無線電能傳輸技術(shù)由于采用非接觸方式實(shí)現(xiàn)能量傳遞，具有安全性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，將成為解決水下傳能問題的有效手段。

如圖1 所示，水下無人航行器（UUV）除執(zhí)行本身任務(wù)以外，同時(shí)還可設(shè)計(jì)成電能載體，建立以電能載體UUV 為中轉(zhuǎn)的海洋能量網(wǎng)絡(luò)。一方面，UUV 可以從母船、漂浮能源島、水上風(fēng)機(jī)、或水下有纜充電樁獲取能量，增加自身作戰(zhàn)半徑；另一方面，水下的探測設(shè)備如水下聲吶設(shè)備、水下機(jī)器人等可以從UUV獲取電能以增加自持能力和擴(kuò)大布放范圍。

1 水下無線充電技術(shù)優(yōu)勢

采用傳統(tǒng)的直接接觸式充電方式，必須設(shè)計(jì)復(fù)雜而嚴(yán)密的密封結(jié)構(gòu)，制成濕插拔接口，但其制作工藝和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且存在漏水、漏電等安全隱患、插拔操作過程復(fù)雜、安裝定位精度要求高、使用壽命短等弊端。特別是在近海防衛(wèi)、水文監(jiān)測、遠(yuǎn)洋水下預(yù)警以及水下導(dǎo)航等領(lǐng)域的應(yīng)用，接觸式充電方式將極大地限制UUV 機(jī)動(dòng)能力。主要體現(xiàn)在由于受供電線纜長度、海水腐蝕、自身儲能裝置的容量以及能源補(bǔ)給方式的制約，水下探測設(shè)備的布放范圍以及UUV 檢測距離均受到嚴(yán)重制約，隱蔽性也難以保障。

利用水下無線電能傳輸技術(shù)所具有的安全性強(qiáng)、自動(dòng)化水平高、隱蔽性強(qiáng)的優(yōu)勢，可以更好地解決水下探測設(shè)備的電能補(bǔ)給需求。在當(dāng)今建設(shè)海洋強(qiáng)國新形勢下，水下無線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用場景非常廣泛，可極大地提高海洋作業(yè)的自動(dòng)化程度，解除海洋物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)布局限制，提高UUV 作戰(zhàn)半徑與自主能力等。

無線充電技術(shù)帶來的技術(shù)優(yōu)勢如下：

1）UUV 隱蔽性好。不再需要用水面艦只收回充電或換電；

2）UUV 可配置多種能量來源。水面或水下船只，水面或水下能源島，水下有線供電網(wǎng)絡(luò)；

3）水下探測系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、武器系統(tǒng)等用電設(shè)備，可以不依賴于有線供電網(wǎng)絡(luò)，由能量載體UUV 進(jìn)行巡回補(bǔ)電。

圖 1 水下無線供電體系示意圖Fig. 1The schematic diagram of WPT for UUV

2 國外研究現(xiàn)狀

最早將無線能量傳輸技術(shù)應(yīng)用到水下領(lǐng)域的是麻省理工學(xué)院（MIT）與伍茲霍爾海洋研究所（WHOI），將 OdysseyII 水下航行器用于海底采樣網(wǎng)絡(luò)，通過海底采樣網(wǎng)絡(luò)的靠泊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無線充電[1-2]。

2012 年，由美國海軍研究辦公室指揮，潛艇部隊(duì)參與組裝及測試的水下無人航行器對接充電項(xiàng)目完成了試驗(yàn)。該項(xiàng)目成功測試了水下塢站技術(shù)的相關(guān)功能，即水下無線能量傳輸和水下數(shù)據(jù)交換等功能。其中水下無線充電功率為450 W[3]。2013 年，日本NEC公司發(fā)表了一篇有關(guān)水下非接觸充電裝置能量和信息同步傳送的文章[4]，它摒棄了以往水下充電裝置依賴聲吶的通信方式，取而代之的是通過選取不同的變壓器工作頻率，使之既可以傳輸能量，又可進(jìn)行信息傳送，其中能量傳輸頻率為1 MHz，信息載波頻率為92 MHz，信號傳輸頻率為20 MHz。

圖 2 水下潛航器無線充電平臺Fig. 2Platform of WPT for UUV

2015 年，Carderock[5]領(lǐng)導(dǎo)他的團(tuán)隊(duì)與美國海軍海底作戰(zhàn)中心聯(lián)手開始在馬里蘭州西貝塞斯達(dá)總部，用被弄臟以及加鹽的水來模擬實(shí)際的海洋環(huán)境，在6 000加侖的水箱內(nèi)進(jìn)行將數(shù)據(jù)和能量以無線方式自動(dòng)從“水面母艦”傳輸?shù)経UV 的系統(tǒng)演示，并且在演示過程中尋找提高傳輸系統(tǒng)可擴(kuò)展性的可能性，使其可以運(yùn)用到其他平臺上去。

2017 年，美國太平洋空間與海戰(zhàn)系統(tǒng)司令部的海軍科學(xué)家開發(fā)了一種使用無線技術(shù)為水下無人航行器充電的方法，其設(shè)想是在海底布設(shè)有纜充電樁，水下無人航行器通過自主?？吭诔潆姌东@取電能，這種技術(shù)將擴(kuò)大水下無人航行器的執(zhí)行任務(wù)范圍[6]。

針對UUV 在水下與能量基站進(jìn)行無線電能傳輸難以實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收端精密對準(zhǔn)，從而不能獲得較高傳輸效率的問題，美國海軍近岸作戰(zhàn)司令部太平洋實(shí)驗(yàn)室的Sean Patten 與美國海軍于2017 年聯(lián)合開發(fā)出一種發(fā)射線圈與接收線圈“軟連接”的耦合機(jī)構(gòu)方案，其特點(diǎn)是發(fā)射線圈系統(tǒng)“嵌套在”接收線圈系統(tǒng)中[7]。該系統(tǒng)的發(fā)射線圈系統(tǒng)由非平面錐形發(fā)射線圈（線圈繞制在非平面錐形鐵氧體上）、圍繞在發(fā)射線圈外的絕緣外殼組成；該系統(tǒng)的接收線圈系統(tǒng)由鐵氧體插頭，繞制在鐵氧體插頭柱狀部分的接收線圈以及包絡(luò)在外的半球形（凹形）絕緣層組成。該系統(tǒng)的軟連接方式如圖4 所示。

雖然世界各國研究機(jī)構(gòu)仍在不斷進(jìn)行水下無線電能傳輸技術(shù)的研究[8-10]，但仍然存在一些關(guān)鍵技術(shù)問題有待研究，其中包括：深水應(yīng)用的磁耦合機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)、海水介質(zhì)中損耗特性與傳輸特性、系統(tǒng)魯棒控制技術(shù)、能量和信息同步傳輸技術(shù)，以便最大限度提升系統(tǒng)工作性能，保證系統(tǒng)的安全、可靠、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

圖 3 美國軍方為UUV 無線充電的設(shè)想Fig. 3U.S. military's vision for wireless charging of UUV

圖 4 美國海軍為UUV 無線充電耦合機(jī)構(gòu)軟連接方式Fig. 4U.S. Navy soft connection mode for UUV wireless charging coupling mechanism

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 深水應(yīng)用的磁耦合機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，有關(guān)水下磁耦合機(jī)構(gòu)主要采用2 種結(jié)構(gòu)，分別是無磁芯和有磁芯結(jié)構(gòu)。在無磁芯結(jié)構(gòu)研究過程中，有人基于無磁芯結(jié)構(gòu)，在重點(diǎn)分析了海水和空氣不同介質(zhì)中系統(tǒng)傳輸功率、副邊電流及效率的關(guān)系后，提出一種錐形線圈結(jié)構(gòu)，該磁芯結(jié)構(gòu)相對于螺旋形磁芯結(jié)構(gòu)，可在提升傳輸效率的同時(shí)抑制水下暗流對系統(tǒng)傳輸能量的影響，這種無磁芯磁耦合結(jié)構(gòu)，雖然可極大降低耦合機(jī)構(gòu)的體積和重量，減少UUV 負(fù)荷，增加其機(jī)動(dòng)性，但耦合系數(shù)較低，工作頻率高，漏磁嚴(yán)重，傳輸效率較低，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，線圈散熱較為困難，很難提升功率級別。

而在有磁芯結(jié)構(gòu)研究過程中，先后有人提出過原邊與副邊帶磁芯的磁耦合結(jié)構(gòu)以及環(huán)形電磁耦合器。前者雖然提高了傳輸效率，但該耦合機(jī)構(gòu)會增加UUV載重，增加電能損耗的同時(shí)，也極大地降低了其機(jī)動(dòng)性。后者雖具有良好的電壓穩(wěn)定性和較高的效率，但該電磁耦合器中間的環(huán)形空間部分較大，且在工作過程中該空間流有主磁通，從而導(dǎo)致這部分空間的海水中產(chǎn)生一定的渦流損耗，降低了系統(tǒng)的傳輸效率，同樣該耦合機(jī)構(gòu)會增加UUV 載重，增加電能損耗的同時(shí)降低了其機(jī)動(dòng)性。

3.2 海水介質(zhì)中能量傳輸和渦流損耗特性研究

水下無線電能傳輸系統(tǒng)在工作過程中采用非接觸方式進(jìn)行能量傳遞，因此在傳能過程中具有安全性高、無需精確定位等優(yōu)勢，使之非常適合應(yīng)用到水下等惡劣環(huán)境中。然而，由于水介質(zhì)相對于空氣介質(zhì)在介電常數(shù)和電導(dǎo)率方面有所不同，使得水下與常規(guī)空氣中應(yīng)用的無線電能傳輸系統(tǒng)在模型結(jié)構(gòu)及傳輸特性上存在較大差異。通過表1 可以看出3 種介質(zhì)的磁導(dǎo)率幾乎沒有差別，即3 種介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率與真空近似，但其電導(dǎo)率和介電常數(shù)存在較大的差異，其中海水的電導(dǎo)率最大，其次是淡水，而在空氣中電導(dǎo)率并不存在。水介質(zhì)中電導(dǎo)率的存在會產(chǎn)生高頻渦電流而引起渦流損耗，從而影響了磁耦合機(jī)構(gòu)傳輸效率。水的相對介電常數(shù)為81，因此水下磁耦合機(jī)構(gòu)模型要考慮兩線圈間的電容效應(yīng)。

表 1 三種介質(zhì)參數(shù)對比Tab. 1 Comparison of parameters under three mediums

目前，基于海水介質(zhì)建模方面的研究較少。一些研究團(tuán)隊(duì)在水下磁耦合機(jī)構(gòu)建模過程中，有些雖然考慮了水下渦流損耗對系統(tǒng)傳輸效率的影響，但僅考慮了工作電流而并未考慮工作頻率對水下渦流損耗的影響，同時(shí)也未能考慮水下電容效應(yīng)對水下磁耦合機(jī)構(gòu)模型及傳輸性能的影響；有些雖考慮了工作頻率對水下渦流損耗的影響，并在水下磁耦合機(jī)構(gòu)模型中引入了兩線圈間的寄生跨接電容，但未考慮工作電流對水下渦流損耗的影響，也未對寄生跨接電容對系統(tǒng)傳輸性能的影響做深入硏究。

3.3 水下雙向無線電能傳輸電路拓?fù)浼翱焖亵敯艨刂撇呗?/h3>

有關(guān)水下無線電能傳輸控制技術(shù)方面，主要分為原邊控制、副邊控制和雙邊控制等3 種控制方式，不同控制策略優(yōu)缺點(diǎn)比較見表2。

1）原邊控制方式。

首先通過理論推導(dǎo)給出了原邊補(bǔ)償電容端電壓Vc1的表達(dá)式，后根據(jù)采集獲得的原邊線圈電壓與電流間的相位得到Vc1的實(shí)部與虛部，進(jìn)而可估算出互感值M，利用Vc1的實(shí)部和M 可計(jì)算出輸出電壓Voref，該計(jì)算電壓值在與給定輸出電壓值Voref相比較后的差值，經(jīng)PI 調(diào)節(jié)器后產(chǎn)生開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號，最后通過控制線圈電流以達(dá)到控制負(fù)載端電壓的目的。

2）副邊控制方式。

一種副邊控制方式是在整流電路后加入Buck 變換器，利用狀態(tài)空間平均法建立小信號模型，基于極配置法設(shè)計(jì)PI 控制器，實(shí)現(xiàn)恒功率或最大效率控制。另一種是基于可控整流和滯后比較器的副邊控制方法，對輸出功率或最大效率進(jìn)行控制。

表 2 不同控制策略優(yōu)缺點(diǎn)比較Tab. 2Comparison of advantage and disadvantage between various control strategy

3）雙邊控制方式。

可分為雙邊無通信與通信控制2 種方式。經(jīng)典的雙邊無通信控制方式，它的原邊部分由全橋結(jié)構(gòu)和LCL 諧振網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，所采用的控制方法是通過變頻控制方式保證變壓器原邊線圈的恒流輸出，副邊部分采用并聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，經(jīng)不控整流和 Boost 升壓變換器對負(fù)載進(jìn)行能量調(diào)節(jié)。雙邊通信控制方式是將原副邊相結(jié)合，提出基于工作頻率調(diào)制和雙邊無線通信的閉環(huán)控制方法，實(shí)現(xiàn)無線充電。

對于無線電能傳輸?shù)聂敯艨刂撇呗裕壳捌毡椴捎肞I 控制算法，控制參數(shù)一般通過極點(diǎn)配置法選取，控制策略較為簡單且易于實(shí)現(xiàn)。但是現(xiàn)有的建模方法與控制策略通常忽略無線電能技術(shù)實(shí)際應(yīng)用中的多種不確定擾動(dòng)因素。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性以及多參數(shù)擾動(dòng)下快速魯棒控制器的設(shè)計(jì)研究亟待進(jìn)行。

3.4 水下能量和信息同步傳輸技術(shù)

在水下無線電能傳輸?shù)膽?yīng)用場景中，母船、UUV與水下探測設(shè)備之間不只存在能量交互同時(shí)也存在信息傳遞，因此還需要研究海水中無線電能與信息同步傳輸技術(shù)。需要從嵌入式雙向水下耦合機(jī)構(gòu)出發(fā)，采用雙邊LCC 補(bǔ)償諧振拓?fù)洌约案倪M(jìn)型注入式磁耦合通信技術(shù)與能量調(diào)制型FSK 通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海水中電能與信息的同步傳輸。以下問題亟待解決：

1）研究基于嵌入式耦合機(jī)構(gòu)的注入式磁耦合通信技術(shù)優(yōu)化方案

針對無線電能與信息同步傳輸技術(shù)受耦合系數(shù)影響顯著的問題，為此可設(shè)計(jì)出一種嵌入式耦合機(jī)構(gòu)，該耦合機(jī)構(gòu)便于原副邊對準(zhǔn)，抗偏移能力強(qiáng)，耦合系數(shù)大，因此基于嵌入式耦合機(jī)構(gòu)的注入式磁耦合通信技術(shù)是其中的難點(diǎn)。

2）研究復(fù)合諧振拓?fù)銵CC 結(jié)構(gòu)的傳輸特性

針對電能傳輸對于信息傳輸?shù)母蓴_問題，需要研究雙邊LCC 諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。LCC 結(jié)構(gòu)具備多個(gè)諧振頻點(diǎn)，當(dāng)原邊與副邊均采用LCC 補(bǔ)償拓?fù)鋾r(shí)，選取原邊與副邊不同的諧振頻點(diǎn)進(jìn)行搭配時(shí)，可以使得系統(tǒng)具備多種傳輸特性，因此需要從對稱與非對稱2 個(gè)角度對其進(jìn)行詳細(xì)的分析。

3）研究基于LCC 補(bǔ)償諧振拓?fù)涞哪芰空{(diào)制型FSK 通信技術(shù)以及全雙工磁耦合通信技術(shù)

針對目前的磁耦合通信技術(shù)均只能實(shí)現(xiàn)單工與半雙工通信的問題，需要研究雙邊LCC 結(jié)構(gòu)通過參數(shù)設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)具備兩個(gè)輸出特性相同的諧振頻點(diǎn)，保證功率傳輸穩(wěn)定性的前提下實(shí)現(xiàn)能量調(diào)制型FSK 通信技術(shù)。

4 結(jié) 語

本文分析水下無線充電的技術(shù)優(yōu)勢，研究不同國家及機(jī)構(gòu)對UUV 水下無線充電技術(shù)的最新研究成果，針對水下無線充電在磁耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、海水介質(zhì)中能量傳輸和渦流損耗特性研究、水下雙向無線電能傳輸電路拓?fù)浼翱焖亵敯艨刂撇呗浴⑺履芰亢托畔⑼絺鬏敿夹g(shù)等4 個(gè)方向展開了深入討論，為UUV 水下無線充電技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用奠定一定基礎(chǔ)。