【黑科技】水下无线电能传输技术 - 海洋电力传输系统

这天 · 发表于海洋技术发展 2024-4-27 11:29:33

为了解决海洋水下设备的能源供给问题，无线电能传输技术正成为新型的水下电能传输方式，它具有传统的电能补给方式不可比拟的技术优势，可有效提高水下设备的供电安全性、可靠性、便捷性和隐蔽性。

1 电磁感应式无线电能传输

电磁感应式原理与普通电力变压器类似，主要通过高频松耦合变压器实现能量传输。在高频交流电激励下，松耦合变压器一次绕组产生的高频磁场穿过较大的气隙与二次绕组耦合，从而实现能量传递。电磁感应式无线电能传输相比于普通电力变压器，松耦合变压器注入的是高频电能，因此松耦合变压器采用高频设计，且气隙大于普通电力变压器，但较大的气隙会导致变压器耦合因数降低，影响系统传输效率，因此电磁感应式系统的供电距离一般为mm级。

电磁感应式系统工作原理如图1所示，系统包含整流滤波、高频逆变、一次侧补偿、松耦合变压器、二次侧补偿、高频整流和功率调节等。电磁感应式系统的工作原理是工频交流电能经过整流和高频逆变后变换为高频交流电能，输入到松耦合变压器的一次绕组，激励产生高频电磁场并与二次绕组感应耦合，二次绕组两端得到的高频交变电经高频整流和功率调节后向负载供电。

图1 电磁感应式系统工作原理

由于海水磁导率与真空磁导率极为接近，故可认为感应式系统的传输线圈在空气和海水两种环境下的耦合能力是一致的，但同时应注意到，空气的电导率极小，可近似认为空气不导电，所以不存在电涡流损耗问题。以海水为传输介质时，海水导电性好，电导率较大，高频交变磁场在海水中产生涡旋电场，进而产生涡旋电流和电涡流损耗，一部分能量被海水吸收。

因此，为了精确描述海水介质下的电磁感应式系统，文献[21]提出可在陆上感应式系统等效电路的基础上，将海水介质等效为阻抗Ze并入电路中，如图2所示，该等效电路真实反映出海水介质改变了系统的阻抗参数，但并未改变系统传输机理。

2 磁耦合谐振式无线电能传输

磁耦合谐振式系统的典型结构原理如图3所示，主要由高频电源、阻抗匹配网络、发射线圈、接收线圈和负载驱动电路等组成。系统的工作原理：高频电源向发射线圈输出高频交变电流，在磁耦合谐振作用下接收线圈与发射线圈发生耦合谐振，从而实现电能从发射端到接收端的高效无线传输，而接收到的电能经过负载驱动电路进行整流滤波处理后，便可以直接给负载供电。

其工作频率较高，一般在MHz级，其传输结构与电磁感应式较为接近，二者差别主要体现在系统谐振频率上，有部分学者针对磁耦合谐振式WPT和磁耦合感应式WPT技术之间的关系，从原理结构、传输特性等方面的异同进行了深入研究。

图2 海水介质下松耦合变压器的等效电路

图3 磁耦合谐振式系统的典型结构原理

根据一次、二次电路补偿元件的不同连接方式，补偿电路的基本拓扑结构可划分为SS型、SP型、PS型和PP型（S表示串联补偿、P表示并联补偿），四种基本拓扑结构如图4所示。其中L1和L2分别为一次、二次谐振电感，R1和R2分别为一次、二次电感等效内阻，C1和C2分别为一次、二次谐振电容，RL为等效负载，M12为一次、二次线圈之间的互感，US和RS分别为一次输入电压和内阻，I1和I2分别为一次、二次谐振电流。

图4 磁耦合谐振补偿电路的四种基本拓扑

为了隔离高频电源和负载对谐振线圈的影响，方便阻抗匹配，麻省理工学院研究团队在2007年提出了四线圈的结构，在发射端增加一个电源激励线圈，在接收端增加一个负载线圈，其电路模型如图5所示。

图5 四线圈结构磁耦合谐振式无线供电系统

由于磁耦合谐振式与感应式传输结构相似，且工作频率更高，故海水环境中磁耦合谐振式系统的涡流损耗现象更为明显，同时，多线圈结构下过多的耦合次数会增加能量损耗，降低了长距离传输时的功率和效率。西北工业大学张克涵教授等设计了一种三线圈耦合结构，较好地解决了两线圈模型传输性能差和四线圈模型耦合次数多的问题。

3 超声波耦合式无线电能传输

超声波耦合式无线电能传输技术的系统总体方案如图6所示。压电超声换能器的机电等效模型如图7所示，压电超声换能器在工作过程中，包含了电路系统、机械振动系统和声学系统三部分。通过机电等效和声电等效原理，可将三者统一用电路模型来等效，以便用电路理论对换能器进行系统研究。该模型既适用于声电转换，也适用于电声转换。

图6 超声波耦合式无线电能传输系统总体

图7 压电超声换能器机电等效模型

与电磁感应式、磁耦合谐振式相比，超声波耦合式无线电能传输系统不受电磁干扰与涡流损耗的影响，其系统本身也不会产生电磁辐射，降低了水下设备电磁暴露的风险。由于超声波波长较长，故该方式传输方向性较好。

同时应注意到，超声波耦合技术虽然实现了远距离的水下无线能量传输，但其声电、电声转换的过程降低了传输效率，且随着传输功率的增大，其效率会逐渐降低，在已有研究中，许康等在10W级的系统上实现95%的传输效率；Lawry等在50W级的系统上实现了50%的传输效率；Ozery等研制100MW级大功率样机，但其传输效率只能达到39%。因此，为保证传输效率，超声波耦合式无线电能传输通常被限制在几十瓦，该功率等级仅适用于微型水下设备的无线充电应用。

（摘编自《电工技术学报》，原文标题为“水下无线电能传输技术及应用研究综述”，作者为吴旭升、孙盼等。）

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