富一博，于 沨

（大連測控技術(shù)研究所，遼寧 大連，116000）

無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展及其水下應(yīng)用趨勢淺析

富一博，于 沨*

（大連測控技術(shù)研究所，遼寧 大連，116000）

無線電能傳輸技術(shù)作為一種新型電能傳輸技術(shù)，由于其具有強大的環(huán)境適應(yīng)性，可以避免傳統(tǒng)充電方式的諸多不便，特別適合在特殊環(huán)境使用，近年來廣受科研工作者的關(guān)注。本文從無線電能傳輸技術(shù)的水下應(yīng)用角度出發(fā)，闡述了無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展歷史、工作原理，對不同原理的無線電能傳輸技術(shù)做了比較，提出了對目前無線電能傳輸技術(shù)在水下應(yīng)用方面的研究現(xiàn)狀與不足，并探討了水下無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展趨勢。

無線電能傳輸技術(shù)；水下應(yīng)用；水下電能補給。

搜救、探測等任務(wù)的重要性?；诋斍暗募夹g(shù)和特性，目前我國所使用的水下設(shè)備大都使用傳統(tǒng)供電方式

進行電能傳輸。有纜水下機器人（Remote Operated Vehicle，ROV）多采用臍帶纜由水面電源進行供電，由于受到臍帶纜長度的限制，ROV的活動性受到一定的阻礙；無纜水下機器人（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）多用蓄電池類化學(xué)式動力源，或熱

能和核能類的物理式動力源。由于電池倉的搭載，

AUV負重增加，靈活性受到了一定程度的阻礙，尤其是軍用 AUV，在執(zhí)行探測、導(dǎo)航、攻擊等特殊任務(wù)時，對于自身體積、靈活性以及續(xù)航能力提出更高的要求。我國第一臺水下1000 mAUV所攜帶的鉛蓄電池重量高達126 kg，在一定程度上制約了其用途的擴展。對于水下采集器或海底測量系統(tǒng)，則是依靠蓄

電池類化學(xué)式動力源進行電能供給。為了節(jié)約成本，一些水下測量系統(tǒng)采用一次性電池。若電池電能不足，

則需要回收電池組設(shè)備并打開電池倉進行充電或電

池更換，之后再次投放。這種打撈—更換—投放式的水下測量系統(tǒng)續(xù)航模式大大增加了運行成本。而且，電池組充電接口頻繁插拔很難保證電池倉有一個良好的水密性和安全性。因此，如何避免打開電池倉就可進行系統(tǒng)續(xù)航的新型供電模式的需求被提了出來。

無線充電技術(shù)是近年來備受國際學(xué)術(shù)界關(guān)注的一項新的能量傳輸技術(shù)。由于這項技術(shù)能夠有效地解決有線充電存在的諸多缺點，比如充電線的存在造成的移動充電接口裸露、容易產(chǎn)生接觸火花、靈活性差、外形不美觀等問題，因此無線充電技術(shù)特別適用于工作在特殊環(huán)境的設(shè)備進行安全供電，比如易燃易爆環(huán)境或者水下環(huán)境。采用無線充電的方式可以使充電電源和負載電路完全隔離，兩側(cè)的電路可以進行獨立封裝，不僅可以保證水密性，消除了摩擦和漏電的危險，還能使設(shè)備的耐壓性顯著增強。在深海工作條件下，設(shè)備的工作能力也可以得到加強。水下無線充電作為無線電能傳輸技術(shù)的一個重要領(lǐng)域，國內(nèi)對此方面的研究相對較少。目前我國的水下用電系統(tǒng)，包括已經(jīng)研制成功的自制水下機器人系統(tǒng)，能源動力問題的解決方案研究主要集中在提高電池能量密度上，尚無采用無線供電技術(shù)的案例。無線電能傳輸技術(shù)由于不存在電路間的直接耦合，從而可以從根本上解決目前所擁有的維護困難、靈活性差、安全性差等突出問題。有望成為制約未來海洋工程發(fā)展水平的一項關(guān)鍵技術(shù)。

1 發(fā)展及研究現(xiàn)狀

1.1 無線充電技術(shù)的發(fā)展

無線電能傳輸技術(shù)的概念的提出最早的概念的提出最早可追溯至19世紀。從19世紀30年代開始，英國科學(xué)家邁克爾·法拉第（Michael Faraday）首先發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，即因為磁通量的變化產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象。1890年，克羅地亞科學(xué)家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）提出一個大膽的構(gòu)想：把地球作為導(dǎo)體，在地球與電離層之間建立起低頻共振，利用環(huán)繞地球的表面電磁波來遠距離傳輸電力[1]。特斯拉建成一座高達187英尺的鐵塔，開始相關(guān)研究工作，但由于種種后續(xù)問題，研究并沒有取得實際成果。直到20世紀90年代，飛利浦公司出于防水的目的，第一次在牙刷產(chǎn)品中使用了無線充電技術(shù)。該產(chǎn)品提供一種專門的充電器，內(nèi)置線圈，通電后產(chǎn)生變化的磁場，在牙刷內(nèi)部內(nèi)置的接收線圈感應(yīng)到充電器產(chǎn)生的磁場后產(chǎn)生感應(yīng)電荷，并將電荷傳輸給內(nèi)部電池[1]。

2007年6月，麻省理工大學(xué)（MIT）科研小組的助理銷售馬林·索爾賈希克（Marin Soljacic）和他的研究小組首次利用磁共振技術(shù)成功點亮了距離電力發(fā)射端2 m以外的一盞60 W燈泡，即使在電源與燈泡中間擺上木頭，金屬或其他電器，都不會影響燈泡發(fā)光。這項論文的發(fā)表掀起了全世界范圍內(nèi)對無線電能傳輸技術(shù)研究的熱潮。

1.2 分類

目前已問世的無線電能傳輸技術(shù)中，按照原理分類，主要分為三種：第一種是電磁感應(yīng)式，它利用變化的電流通過初級線圈產(chǎn)生磁場，變化的磁場再通過次級線圈感應(yīng)出電場，從而實現(xiàn)電能的傳輸。電磁感應(yīng)式無線電能傳輸是目前發(fā)展較為成熟的一種技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域最廣。第二種是電磁共振式，它利用電磁耦合的共振效應(yīng)實現(xiàn)電能傳輸，一般而言，采用共振式的傳輸距離要比感應(yīng)式略遠，MIT的實驗就是基于共振原理。磁場共振技術(shù)適用于在短距離內(nèi)需要大功率電源的環(huán)境，如機器人、汽車、真空吸塵器等；第三種是電磁波發(fā)射式，它是將電力以微波的形式發(fā)射，通過微波輻射的方式到達接收端，相對于前兩種原理，采用電磁波發(fā)射式的傳播距離最遠，可以達到10 m左右，但是功率小，傳輸效率低，而且應(yīng)用領(lǐng)域較窄，例如在水中，電磁波衰減極大，如采用電磁波發(fā)射式則會大大降低系統(tǒng)傳輸效率。

1.3 研究現(xiàn)狀

隨著技術(shù)的發(fā)展，電子元件逐漸趨向于微型化。人們對電子設(shè)備便捷性的需求日益加深，世界各國學(xué)者對無線電能傳輸技術(shù)均有研究，其理論基礎(chǔ)和應(yīng)用范圍都在擴大。新西蘭和美國在電能傳輸理論和實際應(yīng)用方面均有多項成就，以奧克蘭大學(xué)Pro. Boys為首的課題組是該領(lǐng)域先進水平的代表。日本則側(cè)重于實用設(shè)計方案，目前已有多項技術(shù)成果投入使用；德國在耦合器結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化方面有傳統(tǒng)的優(yōu)勢；加拿大在的研究側(cè)重于電力機車的無線供電技術(shù)研究方面；南非研究了系統(tǒng)優(yōu)化和變壓器設(shè)計，韓國涉及非接觸變壓器理論分析；中國內(nèi)地在分離式變壓器、系統(tǒng)電路和應(yīng)用領(lǐng)域各有所涉及[2]。

我國在該領(lǐng)域的研究直到2000年才開始起步，相對于世界其他國家均起步較晚。開始起步時，主要針對直接耦合的方式進行研究，并在汽車上有一定的應(yīng)用。2007年MIT的論文發(fā)表之后，掀起了世界各國的研究熱潮，中國也才開始逐漸加大研究力度。2010年，無線充電聯(lián)盟在北京宣布將QI無線充電國際標準率先引入中國，無線充點聯(lián)盟是全球首個推動無線充電技術(shù)標準化的組織。而且在學(xué)者們的不斷呼吁之下，國家自然科學(xué)基金委員會將無線電能傳輸?shù)捻椖苛腥胫改?，有很多科研小組得到了該項目基金的支持。目前無線充電技術(shù)雖然在某些特定產(chǎn)品中有所實現(xiàn)，但還不夠成熟，還處于研究的初級階段，是一個有廣闊的市場前景的研究方向。

目前國內(nèi)涉足無線電能傳輸領(lǐng)域主要以高校和研究機構(gòu)為主，也有一些科技公司在該領(lǐng)域上也有所涉足，在小型無線充電產(chǎn)品上有一定的研究。浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、天津工業(yè)大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、大連理工大學(xué)、重慶大學(xué)、東南大學(xué)等高校，海爾集團、華為公司等企業(yè)，中科院電工所等科研機構(gòu)均進行過研究。

在無線電能傳輸技術(shù)的水下應(yīng)用方面，浙江大學(xué)流體傳動及控制國家重點實驗室有較成熟的研究經(jīng)驗，在水下電磁耦合器結(jié)構(gòu)、線圈優(yōu)化設(shè)計、充電系統(tǒng)控制方面均有一定的成果[3-5]；西北工業(yè)大學(xué)將研究重點落在水下電磁耦合器磁場分析、電路結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面[6-8]；國防科技大學(xué)在針對于AUV的水下無線充電系統(tǒng)設(shè)計上有所研究[2]。

2 無線供電技術(shù)的水下應(yīng)用發(fā)展趨勢

人類開發(fā)海洋的范圍不斷擴大，要求水下潛器的工作范圍更大，深度更深，工作時間更長；同時，由于作業(yè)的復(fù)雜性和綜合性，也要求水下潛器在功能上有更高的集成度?；诂F(xiàn)有的技術(shù)和相關(guān)的研究，無線供電技術(shù)的水下應(yīng)用逐漸向結(jié)構(gòu)多樣化、功能集成化以及發(fā)展瓶頸明朗化發(fā)展。

2.1 結(jié)構(gòu)多樣化

雖然在便攜式電子設(shè)備的無線充電方面，國際以出臺多種標準，但是由于工業(yè)用電標準不統(tǒng)一、設(shè)備有差異，無線供電技術(shù)逐漸向結(jié)構(gòu)多樣化發(fā)展。

以線圈繞組方式來說，可分為單面繞組式和雙面繞組式。采用單面繞組的磁耦合器繞組所需寬度大，而且位置偏移對電能傳輸?shù)挠绊戄^大，經(jīng)計算，使用半徑為140 mm、匝數(shù)為50匝的圓形線圈，在垂直距離為3 cm的條件下，當重心偏移量達到4 cm時（約為線圈直徑的 14%），線圈之間的互感接近于 0。而且采用單面繞組結(jié)構(gòu)線圈背面存在漏磁通，設(shè)置屏蔽板（如鋁板）可在一定程度上阻止這種泄漏。但單面繞組利于實現(xiàn)器件小型化、扁平化和輕量化，有時不需設(shè)置磁芯或鋁板仍可正常工作，由于單面繞組具有扁平化優(yōu)勢，因此特別適合低功率的小型便攜式電子設(shè)備，很多手機無線充電器就是采用這種結(jié)構(gòu)。

無線供電系統(tǒng)需要向“短、小、輕、薄”的方向發(fā)展，平面變壓器就是基于這個發(fā)展趨勢而被提出來的一種新技術(shù)。它是一種呈低高度扁平狀或超薄型的變壓器，其繞組一般是由折疊式銅箔、印制電路板上的印制銅線或直接沉積于此行波抹磁性薄膜上的銅線條構(gòu)成，美國亞特蘭大大學(xué)Jae. Park研制出的小型平面變壓器最小尺寸為2.6 mm×2.6 mm×70 μm。雙面繞組的耦合系數(shù)較高，所需寬度較小，而且發(fā)生位置偏移時，對電能傳輸?shù)挠绊戄^小。所以雙面繞組特別適合汽車無線充電。由于磁芯形狀、結(jié)構(gòu)不同，雙面繞組可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)多樣化，例如奧克蘭大學(xué)設(shè)計的Flux Pipe構(gòu)造，日本琦玉大學(xué)設(shè)計的H型磁芯雙面繞組構(gòu)造。

按磁芯結(jié)構(gòu)分類，可分為無磁芯結(jié)構(gòu)、嵌入式結(jié)構(gòu)、線性結(jié)構(gòu)、E型磁芯結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，其中旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)按照線圈布局或磁芯的不同又可分為多種類型。在此不做過多介紹。根據(jù)實際應(yīng)用場合的不同，應(yīng)采用最適合的電磁耦合器結(jié)構(gòu)類型。

根據(jù)水下設(shè)備精度低，姿態(tài)控制相對困難的特點，采用允許相對旋轉(zhuǎn)的罐型磁芯最為適合，而且罐型磁芯具有良好的電磁屏蔽特性，可以減少外界的電磁干擾。由日本東北大學(xué)（Tohoku University）研制的自主式水下運載器電能補給系統(tǒng)便采用了此種方式，系統(tǒng)設(shè)有額外的水下基站，基站上有兩個線圈，一個是發(fā)射電能用的初級線圈，另一個是接受電能用的次級線圈，這兩個線圈并不是相互配對的。AUV通過導(dǎo)航和對準系統(tǒng)將安裝于頭部的接受裝置對準基站的能量發(fā)射端，實現(xiàn)水下供電；當基站電能不足時，水面艦船可以采取同樣方式對基站進行電能補給。

日本海陸科學(xué)技術(shù)公司投放的海洋觀測系泊浮標“TRITON”采用的供電系統(tǒng)是針對水下浮標測量系統(tǒng)所設(shè)計的一種無線電能傳輸方案。TRITON的水面浮標通過系泊鋼纜與海底的重物相連。系泊鋼纜上每隔一段距離就裝有一個水下傳感器。系統(tǒng)初級線圈繞制在系泊鋼纜上，與水面浮標相連。系泊鋼纜可以被看作是變壓器的鐵心，為了避免海水腐蝕性的影響，水下電纜和初級線圈由一種半透明的塑膠外皮覆蓋。次級線圈繞制塑膠外皮外側(cè)，與初級線圈相互平行。次級線圈和水下傳感器封裝在密閉的水下氣缸當中。相對于水下基站式的結(jié)構(gòu)而言，可以更便捷地應(yīng)用到浮標系統(tǒng)當中。

2.2 功能集成化

能量和信號是現(xiàn)代電氣和電子工程最重要的兩個概念，在一個電氣系統(tǒng)中，系統(tǒng)運行的動力靠能量供給，而系統(tǒng)提供運行狀態(tài)、控制命令等則靠信號提供[9]。在一個無線供電的系統(tǒng)中，除了要求電能可以實現(xiàn)從發(fā)射端到接收端的傳輸之外，發(fā)射端還需發(fā)送控制指令，同時接受端也需要反饋系統(tǒng)設(shè)備運行狀態(tài)、監(jiān)控信息等等。這就需要一個無線供電系統(tǒng)同時具備電能傳輸和信號傳輸?shù)哪芰ΑＯ抻趹?yīng)用條件，基于無線供電的信號傳輸頻率不是很高，不適于較長距離的傳輸，因此無線供電系統(tǒng)的信號傳輸以近場傳輸為主。目前主要有兩種方式：

（1）獨立式。基于獨立式信號傳輸系統(tǒng)的無線供電系統(tǒng)設(shè)置兩組線圈，能量傳輸線圈和數(shù)據(jù)交換線圈，兩組線圈獨立放置。同時，能量傳輸線圈和數(shù)據(jù)交換線圈的排列方式也有兩種，相互垂直放置或相互水平放置，但無論采用哪種放置方式，能量和信號相互串擾的問題是不可避免的，任意一個線圈都會與其他三個線圈發(fā)生耦合，能量傳輸線圈的能量會耦合數(shù)據(jù)線圈上，造成大量的能量損失，并嚴重干擾數(shù)據(jù)的傳輸。

（2）高頻注入式。高頻注入式感應(yīng)信號傳輸系統(tǒng)與獨立式感應(yīng)信號傳輸系統(tǒng)不同，能量和信號的傳輸采用同一磁路，利用相同的初、次級線圈進行工作。將高頻的數(shù)據(jù)信號波加載在相對較低的工作頻率的電能傳輸波形上形成復(fù)合波，經(jīng)初級線圈通過耦合磁路，經(jīng)次級線圈到達次級電路，在次級端通過一個高頻濾波電路將相對頻率較高的數(shù)據(jù)信號檢出。由于書記信息包含在信號波的頻率和相位中，只要信號波在傳輸過程中損失的能量在一定的范圍之內(nèi)，都不會影響數(shù)據(jù)傳輸。為了減少由于相位差的存在造成的數(shù)據(jù)信號波與能量信號波相抵消，工作時應(yīng)使兩波形的初始相位相同。

2.3 瓶頸明朗化

（1）電能傳輸不穩(wěn)定。這是無線電能傳輸系統(tǒng)，不僅僅是共振式，也包括感應(yīng)式存在的一個共性問題。尤其對水下設(shè)備的無線供電系統(tǒng)要求更高。因水流沖擊的影響，耦合器之間的距離不會是固定不變的，而是會發(fā)生距離的增減、位置的偏移或相對旋轉(zhuǎn)。這都會對耦合器的性能產(chǎn)生影響。從而影響電能傳輸效率。海水作為電的良導(dǎo)體，電磁耦合器產(chǎn)生的高頻電磁場會在海水中引起渦流，造成能量損失。深海的高壓環(huán)境也會對鐵氧導(dǎo)體的磁導(dǎo)率下降，系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，傳輸能力下降[5]。同時電能傳輸?shù)牟环€(wěn)定因素并不僅僅來源于外界干擾，系統(tǒng)本身也存在著影響電能傳輸?shù)囊蛩亍Ｓ捎隈詈掀鞯臒o接觸結(jié)構(gòu)，磁路的磁阻大大增加，勵磁電感??；漏電感大，線圈耦合系數(shù)低。

（2）距離體積有矛盾。在無線電能傳輸系統(tǒng)的研究中，當距離增大時，要想達到同樣的電能傳輸效果，需要加大傳輸線圈的半徑。而線圈半徑不能無限制地增加，因此存在著增大傳輸距離與縮小系統(tǒng)體積之間的矛盾。

（3）生物安全難保證。在無線電能傳輸系統(tǒng)當中，無論是能量還是信號的載體都是高頻電流，和高頻電磁場，勢必會對周圍的環(huán)境和生物造成一定的影響，但是關(guān)于這一點目前還沒有一個明確的結(jié)論。

3 結(jié)語

無線充電技術(shù)由于其特有的安全性、便捷性而成為當今研究的熱點問題之一。很多發(fā)達國家，包括美國、德國、日本、新西蘭等都已經(jīng)開始效力于該技術(shù)的推廣和應(yīng)用，從家庭、工業(yè)到各個特殊行業(yè)。尤其是無線供電技術(shù)的水下應(yīng)用更是可以解決現(xiàn)今水下運載器、測量系統(tǒng)、潛標系統(tǒng)等存在的能量補給問題。盡管無線供電系統(tǒng)也存在著一些缺點，如穩(wěn)定性差、傳輸效率不高等。但我相信在廣大科研工作者的努力下，這一技術(shù)的發(fā)展將會有更好的條件、更光明的前景。

[1] 曾繁屏. 淺談無線充電技術(shù)及其航標應(yīng)用的展望[C]//中國航海學(xué)會航標專業(yè)委員會沿海航標學(xué)組無線電導(dǎo)航學(xué)組內(nèi)河航標學(xué)組年會暨學(xué)術(shù)交流會論文集. 福州, 2013:221-224.

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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隨著我國科技不斷發(fā)展創(chuàng)新，對海洋的開發(fā)進一步深入，必然需要大量的水下設(shè)備。包括水下救生、探測、導(dǎo)航、考古等。其中一個需要解決的重要問題就是水下設(shè)備的供能問題。2014年馬航MH370事件更是讓人們意識到了水下設(shè)備的可持續(xù)工作對完成

2014-11-02

富一博（1990-），男，碩士研究生，研究方向：海洋工程。

于沨（1958-），男，研究員，研究方向：水聲工程。