摘要：随着人类对海洋资源开发和利用的深入，各种水下观测、通讯、探测设备的应用需求越来越多。使用无线输电技术为水下设备充电，可以克服上岸更换电池和水下有线充电两种传统方法的不足，具有安全、灵活等优点。本文先后介绍了磁场式、电场式、超声波等三种主要的水下无线输电技术，具体介绍了各系统的典型结构、等效模型和性能特点，进而概述了各种水下无线输电技术的研究现状，指出目前亟待解决的问题，旨在为今后水下无线输电技术的研究提供方向。
关键词：水下无线输电;磁场;电场;超声波
引言
我国海域辽阔，海洋资源丰富，开发潜力巨大。对海洋资源的开发和利用离不开各种水下设备的应用，如自主式水下航行器(AutonomousUnderwaterVehicle，AUV)、海洋观测浮标、海底监测设备等。目前水下设备的主要供电方式为打捞上岸更换电池或在水下通过湿拔插接口进行有线充电，自动化水平低，维护成本高，并且有短路的危险。使用无线输电技术进行充电没有物理连接，具有绝缘安全、自主性高等特点，因此水下无线输电(UnderwaterWirelessPowerTransfer，UWPT)技术具有广阔的应用前景。
UWPT技术按工作原理可分为磁场式、电场式以及超声波等三种主要方式。其中磁场感应式无线输电基于电磁感应原理，当发射线圈通过电流时，所产生的磁通在接收线圈产生感应电动势，从而将电能传输到负载;磁场谐振式无线输电基于磁谐振原理，在近场范围内，使发射线圈与接收线圈均工作于自谐振或谐振状态，实现电能无线电能传输。电场式无线输电使用两个可分离的电容极板，通过电场耦合实现电能的传输[1]。超声波无线输电则是利用电-声和声电转换技术实现电能和机械能的转换，通过超声波在介质中定向传输实现远距离的无线输电[2]。
然而，如表1所示，由于海水具有良好的导电性，水下电磁场的特性与空间电磁场不同，导致UWPT技术与以空气为介质的常规无线输电技术有较大差别。为此，本文详细介绍了磁场式、电场式以及超声波等三种UWPT系统的工作特点，着重分析了海水介质对UWPT系统性能的影响，指出了UWPT系统亟待解决的问题，为未来UWPT技术的研究与应用提供参考。
1磁场式水下无线输电
1.1系统结构
磁场式UWPT系统结构如图1所示，其中发射端和接收端分别安装在海底充电基站(或充电船)和水下设备上，只有线圈部分暴露在水中。直流电源经过逆变电路变换为高频交变电流，输出至发射线圈，接收线圈产生的电流经过变换供给负载。
1.2辐射电阻与涡流损耗
从表1可知，由于空气和海水的相对磁导率非常接近，故高频交变电流在线圈中产生的磁场大小几乎相等。然而，空气的电导率为0，海水的电导率为4S/m，单个环形线圈浸没在导电介质中会带来辐射阻抗[3]。导电介质和空气中线圈辐射电阻
1.3等效电路
在磁场式无线输电系统的研究中，常使用互感模型和漏感模型进行等效电路分析[8]。互感模型基于松耦合变压器的互感特性，能够考虑水下环境的各种因素。漏感模型也称为T型模型，便于分析系统的漏磁通，且可以方便地进行无线输电系统的双端口网络分析。
1.4国内外研究现状
1.4.1磁场感应式UWPT技术
磁场感应式无线输电技术基于松耦合变压器原理，传输距离较近，传输功率级别较大，也是最早应用于水下的无线输电技术。
早在2001年，美国MIT/WHOIOdyssey实验室研究了在码头为AUV进行充电的UWPT系统[12]，充电功率范围为130~200W，充电效率达到79%。2004年，日本东北大学和NEC公司联合研发了对AUV进行水下充电的磁场感应式无线输电系统[13]，采用了如图5所示的锥形耦合线圈提高耦合系数，其中磁芯气隙为3mm，传输功率高达1800W，传输效率在90%以上。2007年，美国华盛顿大学针对水下传感器网络锂电池的充电应用，研究了可工作在水深900米的UWPT系统[14]。当磁芯气隙为2mm时，能够以70%以上效率传输250W功率。
我国浙江大学陈鹰教授团队制作的UWPT系统，当传输间距为5mm时，以85%的平均效率实现了300W/5A的功率传输，同时实现了10Mb/sWLAN无线通信[15]。哈尔滨工业大学朱春波教授团队提出了一种新型水下磁耦合半封闭式磁芯结构，在磁芯气隙为25mm的情况下实现了10kW大功率无线输电，最大传输效率达91%[7]。
综上可见，磁场感应式UWPT系统传输功率等级高，效率较高，但是传输距离仅为毫米级，且要求耦合机构对齐，对AUV的运动控制提出了很高要求，充电方式不够灵活。
1.4.2磁场谐振式UWPT技术
在海底洋流和生物的影响下，毫米级的传输距离使UWPT的应用受到限制。现阶段磁场谐振式无线输电技术的传输距离可达米级[16]。因此磁谐振UWPT技术近年受到广大研究人员关注。
日本松下公司团队专注于研究水下多线圈谐振无线输电系统，设计了一个采用多发射线圈的AUV无线充电站[17]。如图6所示，多个发射线圈相互耦合形成一个圆柱形磁场区域，接收线圈绕制在AUV外壳上，当AUV进入该圆柱形磁场区域时，能够在区域中任意位置实现充电。由于AUV的外壳大多由金属制成，为减小损耗，需要在AUV表面覆盖一层铁氧体材料，在屏蔽磁场的同时提高了磁导率。该系统的传输功率达1kW，最高效率可达82%。此外，该团队还针对水下远距离无线输电设计了一种多中继线圈无线输电系统[18]，如图7所示，在发射线圈和接收线圈之间每隔1.7m放置一个直径3.4m的谐振中继线圈，最远传输距离为10.2m，接收功率达100W，但最大传输效率仅为25.9%。
美国加州大学团队则提出了一种磁场谐振式三相UWPT系统[19]，通过使用三相线圈耦合结构，在实现三相电能无线传输的同时，保证AUV内部设备不受磁场影响。实验结果表明，该系统在工作频率465kHz下可以传输1kW，DC-DC环节的转换效率为92.41%。
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我国西北工业大学张克涵教授团队提出通过增加屏蔽线圈来减少海水中的杂散电动势，以减小涡流损耗[20]。为抑制涡流损耗、提高传输效率，该团队还提出了一种三线圈结构，即将接收线圈置于两个串联的发射线圈中间[21]。实验结果表明该线圈结构能够有效抑制海水感生电场，其引起的涡流损耗仅为传统双线圈结构的一半，传输效率能够提高10%。
1.5亟待解决的问题及研究方向
由磁场式UWPT技术的国内外研究现状可见，该技术的研究已经较为成熟，但仍有一些问题亟待解决，主要集中在以下几方面：
(1)系统频率的选择。系统的工作频率越高，电能传输的距离越远[8]，但由于涡流损耗与频率的平方成正比，随着系统频率的提高，传输效率将急剧下降，故磁场式UWPT只能选择相对较低的工作频率。因此，需要合理选择UWPT系统的最佳工作频率。
(2)磁耦合机构的设计。磁耦合机构是磁场式无线输电系统进行能量传输的关键元件。对于水下应用，可以通过设计新型线圈结构、磁芯结构以及改变线圈布置等方式，控制磁场分布，提高线圈间耦合，减小涡流损耗，提高传输效率。此外，磁耦合机构的设计还要结合实际应用场景，例如需考虑AUV内部金属对磁场的影响、海洋多变复杂环境对耦合机构的干扰、深海水压造成的线圈形变和“压磁效应”[22]等多种因素。
(3)系统的抗偏移能力。在海洋洋流、海洋生物、运动控制误差等影响下，线圈间的相对位置、距离会在一定范围内变化，故要求磁场式UWPT系统具备很强的抗偏移能力。
(4)电磁污染。磁场式水下无线输电过程会产生高频强磁场，强电磁波会干扰水下其他设备的正常工作，甚至造成设备损坏。通常水下部署军事装备有“电磁隐身”的要求，如采用无线充电可能会暴露目标[22]。此外，电磁辐射会对海洋生物的健康产生威胁，需要继续深入研究如何有效屏蔽电磁干扰。
(5)热损耗设计和海洋微生物污染。水下线圈需要做好绝缘，但绝缘层往往影响散热性能，如何处理线圈热损耗带来的热量积累，也是UWPT系统设计必须考虑的问题。长时间置于海底的线圈还容易受到海洋微生物的污染，因此做好线圈的防污垢措施也是非常有必要的。
2电场式水下无线输电
2.1系统结构
电场式UWPT系统结构如图8所示。发射端中的直流电压经过逆变电路转换为高频交流电压，输出到一对电极板。接收端的一对电极板分别产生耦合电场，电能从发射侧极板传输至接收侧极板，接收侧极板接收到电能后根据需求进行变流输出给负载[23][24]。
与磁场式UWPT系统会产生大量的磁场泄露相比，电场式UWPT系统的电场泄漏小。同时，磁场耦合会引起海水涡流损耗，且容易受到金属材料屏蔽的影响，电场耦合则完全不会受导体障碍物影响[25]。此外，由于海水具有高导电性，有利于实现电场UWPT。
2.3等效电路
电场式UWPT系统除了使用双极板对之外，还可以利用海水的导电性，仅使用一个极板对[25]，下面分别介绍这两种系统的等效电路。
2.3.1双电容电场式UWPT模型
在采用双电容的电场式UWPT系统中，通常简单地将两对耦合极板等效为两个电容CS1和CS2，分别对应图10中的C13和C24，如图11a所示，UP和US分别为输入、输出电压。然而，该模型无法将发射侧和接收侧分开进行分析，同时忽略了极板间的互电容[23]。——论文作者：顾文超，丘东元，张波，肖文勋，陈艳峰
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