深海無線傳能技術(shù)的發(fā)展與展望

鄭恒持，王孫清，李彬彬，徐紀(jì)偉

深海無線傳能技術(shù)的發(fā)展與展望

鄭恒持1,2,3，王孫清1,2,3，李彬彬1,2,3，徐紀(jì)偉1,2,3

（1.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082；2.深海技術(shù)科學(xué)太湖實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214082； 3.深海載人裝備全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214082）

深海無線傳能技術(shù)具有安全、可靠、隱蔽、靈活等特點(diǎn)，可以大大提升水下無人裝備的續(xù)航能力，支撐其連續(xù)、隱蔽作業(yè)。本文綜述了水下無線傳能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了復(fù)雜海洋環(huán)境對(duì)無線傳能傳輸效率、穩(wěn)定性、低噪聲、電磁兼容性、境耐壓防腐的影響，綜合判斷水下無線傳能的發(fā)展趨勢，提煉出水下無線傳能的關(guān)鍵技術(shù)方向，以期水下無線傳能技術(shù)為我國海洋裝備的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

無線傳能；深海；網(wǎng)絡(luò)化；標(biāo)準(zhǔn)化；能信同傳

0 引言

深海供電系統(tǒng)是支撐深海進(jìn)入、深海探測、深海開發(fā)發(fā)展戰(zhàn)略的重要保障。而傳統(tǒng)有線充電技術(shù)在能量發(fā)送端和用電設(shè)備之間存在直接電氣連接，在高腐蝕性水下環(huán)境中存在線纜老化、漏電、短路等安全隱患，而且機(jī)動(dòng)性差，難以滿足水下無人潛器應(yīng)用需求，無線傳能技術(shù)通過非物理直接接觸的方式對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行電能補(bǔ)充，可以有效提高充電安全性、便攜性、隱蔽性。解決了海水介質(zhì)中常規(guī)電氣連接點(diǎn)的密封難度大、充電操作復(fù)雜、可靠性低、壽命短等一系列問題，能大幅提升水下作業(yè)、作戰(zhàn)裝備的安全性、可靠性、靈活性和隱蔽性。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

美國從1994年就開始研究水下無線傳能技術(shù)，2007年建立了250 W為錨系海洋剖面觀測儀提供能量補(bǔ)償?shù)乃聼o線電能傳輸系統(tǒng)[1]，2011年研制了帶有450 W水下無線電能傳輸功能的子母無人艇[2]。2018年開始研制了水下無線電能傳輸站[3]。2019年對(duì)水下無線傳能系統(tǒng)渦流損耗進(jìn)行了建模分析，基于損耗模型對(duì)諧振頻率和工作頻率進(jìn)行了優(yōu)化[4]。日本從2003年就開始研究水下無線傳能技術(shù)，2004年設(shè)計(jì)了以鐵氧體磁芯及錐形線圈組成的耦合器結(jié)構(gòu)，輸出功率500 W，效率90%[5]。2007年研制了一種應(yīng)用于海洋觀測系泊浮標(biāo)上的水下傳感器的無線傳能和數(shù)據(jù)一體傳輸系統(tǒng)[6]。2019年利用帶通濾波器理論設(shè)計(jì)了一種多線圈的基于磁共振的無線傳能系統(tǒng)[7]。2021年設(shè)計(jì)了一種基于電容耦合器的無線傳能裝置，功率可達(dá)1 kW[8]。德國方面，MESA公司設(shè)計(jì)了一套水下可旋轉(zhuǎn)的無線電能傳輸裝置，可為傳感器、照明裝置、電機(jī)、微處理器及電池進(jìn)行充電。實(shí)現(xiàn)了100 W的功率傳輸。在國內(nèi)，水下無線傳能的研究起步較晚，重慶大學(xué)、中科院沈陽自動(dòng)化研究所、浙江大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)等科研院校在水下無人潛航器、浮標(biāo)等方面進(jìn)行了無線電能傳輸應(yīng)用研究，并取得了一定的研究成果。但是目前仍處于實(shí)驗(yàn)階段，距離水下實(shí)裝還有距離。

圖1 美國Battelle公司研發(fā)的水下塢站系統(tǒng)

圖2 浙江大學(xué)無人潛器無線傳能實(shí)物

2 深海應(yīng)用技術(shù)難點(diǎn)

受深海高壓、高鹽度、海流沖擊等多環(huán)境復(fù)雜變量擾動(dòng)的影響，深海環(huán)境下無線電能傳輸技術(shù)與陸地上有較大區(qū)別，需要突破較多關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 復(fù)雜海洋環(huán)境對(duì)無線傳輸效率影響

海洋環(huán)境復(fù)雜多變，隨著水深的變化，海水溫度、鹽度、海水壓力以及海流沖擊都在變化，海洋參數(shù)變化導(dǎo)致互感變化、系統(tǒng)耦合參數(shù)等變化，直接影響了電能傳輸?shù)男??？梢酝ㄟ^優(yōu)化設(shè)計(jì)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，閉環(huán)控制，實(shí)時(shí)調(diào)控，主動(dòng)應(yīng)對(duì)參數(shù)變化，提高傳輸效率。

與空氣相比，海水具有良好的導(dǎo)電性能(空氣電導(dǎo)率為0 s/m，海水電導(dǎo)率為1～6 s/m)。當(dāng)線圈中有高頻交變電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生交變高頻磁場，交變磁場會(huì)產(chǎn)生渦旋電場，進(jìn)而在海水中產(chǎn)生渦旋電流，并由此產(chǎn)生較大的電渦流損耗，高頻電磁場衰減，系統(tǒng)諧振狀態(tài)偏移，若不提出降損策略將大大降低傳輸效率[9]。對(duì)渦流損耗的研究對(duì)于揭示水下無線供能系統(tǒng)機(jī)理具有重要意義?？梢酝ㄟ^調(diào)控頻率和相位，降低分布電場強(qiáng)度；優(yōu)化線圈布局，減少漏磁區(qū)能量損耗；采用多種材料組合屏蔽策略，提高電能傳輸指向性，以提升傳輸效率。

圖3 水下無線傳能損耗占比

2.2 復(fù)雜海洋環(huán)境對(duì)無線傳輸穩(wěn)定性影響

海洋環(huán)境參數(shù)變化導(dǎo)致系統(tǒng)耦合參數(shù)變化，電池充電過程中等效負(fù)載動(dòng)態(tài)變化，要通過設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)海洋環(huán)境下負(fù)載及互感變化下電能穩(wěn)定傳輸。另外，無線電能傳輸系統(tǒng)需要收發(fā)線圈近距離大致對(duì)正，深海環(huán)境下受導(dǎo)航精度以及復(fù)雜海水環(huán)境影響，線圈的對(duì)正情況不能保證，考慮其安裝、對(duì)接等需求和抗海流沖擊干擾等多種因素，還要協(xié)調(diào)傳輸距離與電磁耦合器體積之間的矛盾，因此需要設(shè)計(jì)強(qiáng)偏移和距離適應(yīng)性的磁耦合機(jī)構(gòu)，保證深海復(fù)雜環(huán)境下的無線能量的穩(wěn)定傳輸。開展磁耦合機(jī)構(gòu)抗偏移性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)，針對(duì)磁耦合機(jī)構(gòu)因深海洋流所可能產(chǎn)生的橫向和縱向偏移對(duì)傳統(tǒng)的靜態(tài)無線電能傳輸磁耦合機(jī)構(gòu)模態(tài)進(jìn)行多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化，在保證功率傳輸能力的前提下實(shí)現(xiàn)滿足技術(shù)指標(biāo)偏移需求的磁耦合機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合自主式無人潛航器的懸停技術(shù)及水下定位技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)深海洋流環(huán)境下的水下無線電能傳輸系統(tǒng)高效穩(wěn)定功率傳輸。

2.3 深海無線電能傳輸系統(tǒng)的低噪及電磁兼容問題

水下無線電能傳輸系統(tǒng)的電能發(fā)送線圈和接收線圈在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生高頻交變磁場，部分電磁場會(huì)泄漏到系統(tǒng)之外，容易對(duì)水下航行器等機(jī)電設(shè)備的導(dǎo)航、聲吶、引信等電子部件產(chǎn)生干擾，影響其正常功能，甚至引起誤動(dòng)作，造成損壞。在軍事應(yīng)用中，水下無線供電系統(tǒng)電磁場向外輻射，也將嚴(yán)重降低水下航行器的電磁隱身性能。海洋機(jī)電設(shè)備的電子、電氣部件工作時(shí)產(chǎn)生的高次諧波也會(huì)對(duì)水下無線電能傳輸系統(tǒng)造成干擾，當(dāng)高次諧波和系統(tǒng)諧振頻率接近時(shí)，干擾最嚴(yán)重，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)電能傳輸效率嚴(yán)重下降。因此，需要解決水下系統(tǒng)的電磁兼容問題，采取有效措施減小系統(tǒng)對(duì)外界的電磁干擾，同時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)的抗外界電磁干擾能力。該科技問題的解決預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)整體噪聲降低效果不小于20%，最優(yōu)供電可靠性提升效果不低于20%[10]。

2.4 深海環(huán)境耐壓防腐技術(shù)研究

深海環(huán)境復(fù)雜，系統(tǒng)殼體的耐壓、密封性、耐腐蝕性能至關(guān)重要，直接決定系統(tǒng)能否可靠工作。提高水下磁耦合結(jié)構(gòu)密封性能，做好分離力檢測、密封性檢測、互換性檢測、振動(dòng)檢測、沖擊檢測、渾濁試驗(yàn)檢測等等，通過性能的不斷提高，以更好地適應(yīng)和滿足深海工作環(huán)境。此外，深海壓力環(huán)境下的外部振動(dòng)、沖擊易導(dǎo)致磁耦合結(jié)構(gòu)的接觸件出現(xiàn)松脫等情況，運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變，大量雜物等形成，也會(huì)造成水密連接器接觸不良，進(jìn)而出現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定，影響到信號(hào)和電能的穩(wěn)定傳輸。另外，電磁耦合線圈表面及其絕緣材料既要滿足一定耐壓等級(jí)與密封的要求，又要滿足系統(tǒng)在長期海水環(huán)境工作條件下耐腐蝕的要求，化學(xué)性能穩(wěn)定；最后，結(jié)合水下航行器表面的弧度曲線，合理設(shè)計(jì)電場能量發(fā)射和接收側(cè)的耦合結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化、輕量化的要求。

3 深海無線傳能技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1 分布式無線電能傳輸網(wǎng)絡(luò)化

目前國內(nèi)外都主要集中于解決單體設(shè)備水下無線傳能的問題，尚未達(dá)到譜系化、網(wǎng)絡(luò)化使用。而未來水下裝備的集群化作業(yè)作戰(zhàn)，需要譜系化、標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用水下無線傳能技術(shù)。在水下基站中設(shè)立多個(gè)無線傳能平臺(tái)，作為水下能源基站節(jié)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)間通過無線電能傳輸?shù)姆绞浇⒛芰挎溌?，合理配置?jié)點(diǎn)的數(shù)量以及各個(gè)節(jié)點(diǎn)的容量，供/受電優(yōu)先級(jí)以及主從關(guān)系進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，以提高基站分布式能源系統(tǒng)的靈活性和可靠性，實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)水下集群裝備協(xié)調(diào)無線電能傳輸。

3.2 無線電能傳輸接口標(biāo)準(zhǔn)化

水下裝備種類繁多，為同時(shí)滿足不同尺寸，不同功率等級(jí)、不同電制的水下裝備的充電需求，必須要對(duì)無線傳能的接口標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行研究和規(guī)范。以確保按照既定標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)具有通用性的收發(fā)裝置，當(dāng)水下供能基站的發(fā)射端與多種水下裝備的接收裝置間滿足無線傳能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，發(fā)射端與接收端間即可匹配，以實(shí)現(xiàn)為不同種類水下裝備的兼容充電。

3.3 深海無線傳能與載波通信一體化技術(shù)

無人潛器在無線電能傳輸?shù)耐瑫r(shí)實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)信息可以大大提升作業(yè)作戰(zhàn)能力，既保證了信息實(shí)時(shí)回傳，由提升了續(xù)航能力和隱蔽性。實(shí)現(xiàn)該供能的核心技術(shù)就是傳能與載波通信一體化設(shè)計(jì)。主要包括，傳能與載波通信的并行傳輸技術(shù)、能信互擾機(jī)理研究、高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與耦合電路研究、基于磁耦合線圈的載波收發(fā)模塊研究，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的信號(hào)解調(diào)方法研究。

4 結(jié)論

要建設(shè)海洋強(qiáng)國就必須在深海進(jìn)入、深海探測、深海開發(fā)方面掌握關(guān)鍵技術(shù)。解決水下裝備電能的生產(chǎn)，傳輸、存儲(chǔ)、組網(wǎng)以及信息交互通信等難題，是推進(jìn)深海裝備大規(guī)模拓展的必要手段。無線傳能是實(shí)現(xiàn)水下裝備能源補(bǔ)給不可或缺的技術(shù)手段，水下無線傳能未來將向著譜系化、網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化、能信一體化方向發(fā)展，這將會(huì)大大提升水下裝備的工作效率和隱蔽性，顛覆傳統(tǒng)水下裝備作業(yè)模式，為我國深遠(yuǎn)海發(fā)展奠定重大基礎(chǔ)。

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The development and prospects of deep-sea wireless power transmission technology

Zheng Hengchi1,2,3, Wang Sunqing1,2,3, Li binbin1,2,3, Xu Jiwei1,2,3

(1.China Ship Scientific Research Centre, Wuxi 214082, Jiangsu, China; 2.Taihu Laboratory of Deep-sea Technological Science, Wuxi 214082, Jiangsu, China; 3. State Key Laboratory of Deep-sea Manned Vehicles, Wuxi 214082, Jiangsu, China)

TM724

A

1003-4862（2024）03-0054-03

2023-08-08

鄭恒持（1990-），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)樗卵b備供配電。E-mail：602242643@qq.com