0 引言

    隨著海洋資源的開發(fā)，水下探測器的續(xù)航問題一直都是制約水下探索的關鍵問題。目前歐美、日本等國采用的海底電纜網絡鋪設成本高、技術難度大，而對于這項技術我國剛處于起步階段，水下設備仍使用傳統(tǒng)的接觸式供電方式進行電能傳輸，而且我國不掌握水下接駁盒這一關鍵組件的生產、制造技術，極大限制了海底資源的開發(fā)。

    無線電能傳輸技術也稱為非接觸電能傳輸技術，是一種借助于空間的無形軟介質實現(xiàn)將電能由電源端傳遞至用電設備的一種傳輸模式^[1]。與一般的充電方式相比，無線充電技術擁有自由度高、環(huán)境適應性強、危險系數(shù)低等諸多優(yōu)點^[2]。無線電能傳輸在陸地上的研究已經十分成熟，尤其是在電動汽車的應用上，成功實現(xiàn)了在較長的傳輸距離下?lián)碛休^高的傳輸效率^[3-4]。文獻[3]分析了無線充電過程中混入金屬異物對系統(tǒng)參數(shù)及效率的影響，得出金屬混入會影響充電系統(tǒng)參數(shù)并導致傳輸效率降低的結論。文獻[4]分析了無線傳輸系統(tǒng)的發(fā)射線路和接收線路的耦合結構，得出接收線路不同位置時線路耦合情況以及系統(tǒng)效率的變化規(guī)律。文獻[5]推導出了無線電能傳輸系統(tǒng)隨耦合系數(shù)改變的最佳負載，并為無線傳輸系統(tǒng)負載的選取提供了理論指導。

    在水下尤其是深海條件下，無線電能傳輸系統(tǒng)具有更高的可靠性和安全性，更適合在水下自主航行器上應用^[6]。相比較無線充電技術在陸地上的廣泛應用，國內外文獻對于該項技術在水下的研究相對較少，而已有的關于水下無線輸電的研究成果未能兼顧傳輸效率和傳輸距離兩項重要指標^[7-10]。文獻[7]實現(xiàn)了水下間距5 mm、功率300 W、效率85%的電能傳輸，并進行了外場實驗。文獻[8]中，美國華盛頓大學完成了間隙2 mm、功率240 W、效率70%的電能傳輸。文獻[9]中提出了一種在海底進行非接觸式電能傳輸?shù)姆桨福瑢崿F(xiàn)了當傳輸距離為50 mm時，傳輸效率為40%。文獻[10]提出了一種給水中機器魚充電的方案，并指出當諧振頻率變高時，渦流損耗會急劇增大，嚴重影響了充電效率。

    由國內外文獻分析可知，目前水下探測器的電能供給以充電站向探測器的單向能量傳輸模式為主，如何提高傳輸效率已成為實現(xiàn)海水介質中非接觸式輸電實用化的關鍵環(huán)節(jié)。本文提出的雙向無線電能傳輸拓撲，是一種新型的水下探測器供電方案，可以實現(xiàn)能量的雙向傳遞。該項功能可應用于水下移動能源站，增加水下探測器的作業(yè)時間，提高探測效率。具體工作模式為：水下移動能源站從主干網停靠站吸收電能并存儲，隨后根據(jù)定位移動到指定位置對水下探測裝置進行充電，這個過程中，水下移動能源站接收了電能，并發(fā)射了電能，進行了能量的雙向傳輸。

    本文采用移相控制的控制方式，通過調節(jié)偏移量達到調節(jié)系統(tǒng)輸出功率的目的；分析了系統(tǒng)的頻率特性，并做了實驗驗證；分析了海水介質下的渦流損耗，并對理論值和實測值進行了對比。將無線充電系統(tǒng)的原、副邊線圈放置在水池中進行海水下無線電能傳輸試驗，在線圈間距15 cm的條件下，傳輸效率達83%，驗證了本文所提方案的可行性。

1 雙向無線電能傳輸拓撲結構原理分析

    無線充電技術主要是利用電磁感應基本原理進行工作，在初級端線圈的兩端加入交流電壓，通過與諧振電容的諧振作用在線圈中產生交變磁場，繼而在次級線圈中感應出相同頻率的交變電壓，實現(xiàn)無線電能傳輸。本文所采用的雙向供電方案框圖如圖1所示。當能量從主干網停靠站向移動能源站傳遞時，開關管Q1~Q4、反并聯(lián)二極管D5~D8工作，如圖2所示；當能量從移動能源站向水下探測器傳遞時，開關管Q5~Q8、反并聯(lián)二極管D1~D4工作，如圖3所示。

    在無線電能傳輸技術中，原副邊耦合線圈之間存在的漏感增加了系統(tǒng)的無功功率的輸出，降低系統(tǒng)傳輸功率能力。因此，為了提高系統(tǒng)的傳輸性能，有必要對原副邊耦合線圈的漏感進行補償。常見的補償方式有4種：發(fā)射端串聯(lián)接收端串聯(lián)補償(SS)、發(fā)射端串聯(lián)接收端并聯(lián)補償(SP)、發(fā)射端并聯(lián)接收端串聯(lián)補償(PS)、發(fā)射端并聯(lián)接收端并聯(lián)補償(PP)。通過對4種補償方式下的無線充電系統(tǒng)進行計算，得出4種補償結構下諧振電容的表達式如表1所示。其中Cp、Cs分別為原、副邊諧振電容，Lp、Ls分別為原、副邊線圈電感，M為互感，ω為諧振角頻率，R_L為負載電阻。

    由表1可知，只有SS補償結構可以保證在線圈相對位置變化時諧振電容不變，且能夠保證系統(tǒng)在受水流沖擊作用時保持在諧振狀態(tài)，所以本文選用SS補償方式。以單側傳輸為例來分析系統(tǒng)的傳輸性能，單向傳輸?shù)南到y(tǒng)簡化拓撲示意圖如圖4所示。其中U_S為直流電源，C₁、C₂為濾波電容。

    由系統(tǒng)傳輸效率公式可知，當線圈大小、線圈之間的距離以及負載確定后，效率僅和系統(tǒng)工作頻率相關，效率隨系統(tǒng)頻率的升高單調遞增。

    移相控制方式可以通過調整移相角，實現(xiàn)逆變器輸出功率的調節(jié)。由于逆變器負載為感性，電流滯后電壓，因此逆變器容易形成導通時的軟開關，并通過開關管并聯(lián)緩沖電容，實現(xiàn)零電壓關斷，提高電源系統(tǒng)傳輸效率。接下來在移相控制方式下分析頻率變化對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

    由SS補償電路下的電路拓撲可以得到線圈原邊總的等效阻抗為：

    令Lp=Ls=L、Cp=Cs=C，由上式可知，當M不變，頻率大于諧振頻率且越大時，系統(tǒng)感性特征越明顯；頻率小于諧振頻率且越小時，系統(tǒng)容性特征越明顯，其中間的過渡點即為諧振頻率。而系統(tǒng)在容性狀態(tài)下會導致開關管換流時產生較大的開關尖峰，在感性狀態(tài)下，開關管換流階段波形較為平穩(wěn)，而且頻率的增大也會使得系統(tǒng)傳輸效率的提升，所以試驗過程中應使系統(tǒng)的工作頻率略大于諧振頻率。

2 海水介質下能量的損耗分析

    本文研究的無線傳輸系統(tǒng)應用于海水下能量交換，交變磁場會在海水中感應出渦電流，造成功率損耗，降低傳輸效率。下面主要對電磁波在海水中傳播產生的損耗進行分析。

    通常認為海水是一種各向同性的均勻導電介質，這可以大大簡化分析計算。電磁波在海水中傳播，滿足麥克斯韋方程的復數(shù)形式為：

其中P為發(fā)射的功率，p1為損耗的功率，d為傳輸?shù)木嚯x。

    圖5、圖6分別為海水介質下，線圈傳遞效率以及海水渦流損耗隨線圈間距變化的曲線。從曲線中可以得出，隨著線圈間距的增加，線圈間能量傳遞效率明顯變低，而損耗隨著間距的增加而增大，超過10 cm后，效率下降幅度以及損耗增加幅度均增大。

3 系統(tǒng)實驗研究與分析

3.1 系統(tǒng)硬件電路系統(tǒng)及海水損耗實驗

    硬件電路包括：主電路、DSP芯片主控電路、驅動電路、諧振網絡、整流電路、負載。實驗平臺如圖7所示。其中圖7(a)中顯示的分別為系統(tǒng)的主電路板、DSP芯片主控電路板、驅動電路板；圖7(b)顯示的是諧振線圈放置在海水水槽中。本文根據(jù)需求設計了1.5 kW硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)設計的工作電壓為375 V，峰值電流15 A，開關頻率為20～100 kHz。系統(tǒng)的主控芯片為DSP TMS320S2812。

    實驗中，分別測得空氣中和海水介質中的系統(tǒng)傳遞效率，并計算得出海水介質下系統(tǒng)的損耗。部分實驗結果見表2。理論損耗值與實際測量損耗值的對比曲線如圖8所示。從圖中可以看出實際測得的損耗值比理論值小，最大誤差在5%左右，原因在于實驗中線圈的繞制和測量均存在一定的誤差，使用的鹽水與真實的海水也有差別，從而導致實際值低于理論值。

3.2 系統(tǒng)頻率特性研究

    如圖5所示，隨著線圈間距的增加，系統(tǒng)傳遞效率明顯降低，當間距為15 cm時系統(tǒng)傳遞效率僅為60%，不能滿足設計需求，為了減小渦流損耗，增加海水中無線系統(tǒng)的傳輸效率，本文采用在線圈外側添加隔磁片的方式，其裝配圖如圖9所示。選取諧振電容Cp=30 nF，Cs=30 nF，發(fā)射線圈和接收線圈距離15 cm，加入磁芯后，線圈自感變?yōu)?40 μH，此時計算出的諧振頻率為44 kHz。保持兩線圈相對位置不變及線圈之間的互感不變，改變工作頻率得到的電壓電流相位差如表3所示。

    從表3中可以得出：工作頻率為諧振頻率時，逆變器輸出電壓電流的相位差為0，隨著工作頻率的增大，逆變器輸出電壓電流的相位差隨之增大。圖10為工作頻率分別為50 kHz、47 kHz、44 kHz時電壓電流波形，從圖中可以看出，當工作頻率接近諧振頻率時，換流階段開關尖峰較大；當工作頻率大于諧振頻率時，系統(tǒng)工作狀態(tài)較為穩(wěn)定。

3.3 空氣以及海水環(huán)境下無線傳輸實驗

    實驗中，諧振電容Cp=30 nF，Cs=30 nF，供電電壓為375 V，工作頻率為48 kHz，為了模擬負載為電池的工況，調節(jié)偏移量使得輸出電壓也為375 V。負載電阻100 Ω，發(fā)射線圈和接收線圈距離15 cm，加入磁芯后，線圈自感變?yōu)?50 μH。空氣、海水中實驗波形分別如圖11、圖12所示。

    從圖中可以看出，由于采用移相控制，逆變器輸出電壓超前于電流，實現(xiàn)了軟開關，且實驗采用的開關頻率高于諧振頻率，電壓電流波形較為平穩(wěn)，與前文研究一致。實驗結果：在空氣中，直流側輸入功率為1 542 W，線圈間距15 cm，輸出功率為1 406 W，系統(tǒng)傳輸效率約為91%；在海水中，直流側輸入功率為1 693 W，線圈間距15 cm，輸出功率為1 406 W，系統(tǒng)傳輸效率約為83%，相較于其他水下無線充電的研究，本文在傳輸距離和傳輸效率上存在一定的優(yōu)勢。

4 結論

    本文提出一種新型的水下探測器供電方案，設計了雙向傳輸系統(tǒng)的電路拓撲，分析并確定了諧振補償網絡拓撲和參數(shù)；為了實現(xiàn)軟開關并降低開關損耗，確定了移相控制的控制方式并分析了系統(tǒng)工作的最佳頻率與諧振頻率的關系；對海水介質下的渦流損耗進行了估算并進行了實驗驗證，本文會在接下來的工作中繼續(xù)改進實驗條件，縮小估算與實測值的偏差；在空氣及海水環(huán)境下完成了距離15 cm的傳輸實驗，在海水環(huán)境下，較好地抑制了渦流損耗對傳輸效率的影響，實驗效率達到83%，實現(xiàn)了水下無線電能傳輸距離和傳輸效率的優(yōu)化，進一步驗證了本文所提方案的可行性和有效性。

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作者信息:

高雪飛1，張  劍1，2，李金龍1

（1.中國科學院電力電子與電氣驅動重點實驗室 中國科學院電工研究所，北京100190；

2.電驅動系統(tǒng)大功率電力電子器件封裝技術北京市工程實驗室 中國科學院電工研究所，北京100190）