如何高效實現水下航行器的無線充電？哈工大科研人員發布研究成果
2020-11-10 電氣技術哈爾濱工業大學（威海）新能源學院、哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院的研究人員蔡春偉、武帥、張言語、劉金泉、楊世彥，在2020年第14期《電工技術學報》上撰文，基於磁耦合諧振原理，設計一套基於弧形線圈和二次側控制的無線充電系統，對水下自主航行器無線充電技術有一定的借鑑意義。
海洋中蘊藏著豐富的礦產與生物資源，人類正在嘗試對海洋領域做進一步探索與開發。水下自主航行器（Autonomous Underwater Vehicle, AUV）作為探測海洋的重要裝備，將在海洋資源開發、海洋生物研究等領域發揮重要作用。
但是，續航能力不足、巡航範圍受限是限制AUV廣泛應用的瓶頸之一。傳統接觸式充電有短路風險，而且需要母船跟隨保障。無線充電技術通過非物理直接接觸的方式對用電設備補充電能，可有效提高充電系統的安全性與便捷性。
正是這些優點，使無線充電技術應用於電動汽車、AGV、無人機等多個領域。通過在海底基站及人工浮臺上布置AUV水下無線充電系統，不僅能避免海水引起的安全隱患，還能實現充電過程全自動化，推進無人值守的海洋觀測網建設進程。
關於AUV無線充電技術，目前研究還較少。2001年美國North Caroliana State大學研究團隊研發出200W功率等級的AUV水下無線充電系統，初步驗證水下無線充電技術的可行性。日本Tohoku大學和NEC公司在2004年聯合開發了應用於AUV無線充電的錐型磁耦合裝置，並搭建了500W功率等級的實驗系統。
近些年，美國San Diego State大學的Chunting Chris Mi教授團隊在應用於AUV無線充電的磁耦合裝置方面開展了大量研究，致力於開發出能有效抵抗AUV滾動錯位且漏磁小的磁結構。
國內以浙江大學、西北工業大學和哈爾濱工業大學研究團隊為代表，浙江大學的陳鷹教授團隊對AUV水下無線充電技術開展了深入研究，利用罐型磁耦合裝置搭建了AUV無線充電系統，並研究了海水壓強對磁參數的性能影響規律。此外，該團隊還利用環型磁耦合裝置搭建300W的AUV水下無線充電系統樣機，並進行了實際水下充電測試。
西北工業大學張克涵教授團隊基於環型磁耦合裝置設計了水下無線充電系統，該系統具有輸出電壓增益穩定的優點，並對海水中能量傳輸機理和渦流損耗情況進行了研究與分析。哈爾濱工業大學海洋自主航行器研究所針對AUV水下無線充電系統的磁設計和水下能量穩定控制方面開展了大量研究，已提出無需改變AUV外形的形磁耦合裝置，並搭建測試系統。
無線充電系統的能量傳輸與控制涉及到磁耦合裝置、能量傳輸系統和能量控制系統三部分。磁耦合裝置作為實現能量傳遞的關鍵部件，由發射和接收兩部分構成；能量傳輸系統負責將電能穩定、可靠、高效地輸送到用電設備內部，通常由電源系統、高頻逆變器、諧振補償電路、整流及濾波電路構成。
無線充電系統不可避免會出現錯位情況，導致能量傳輸系統輸出發生變化，而且電池充電過程中耐受的電壓和電流能力不斷變化，這就需要能量控制系統來實時對系統功率進行調節。能量控制系統通常由能量調節主電路、採樣及反饋系統和控制器三部分構成。
相比大氣中無線充電系統，AUV無線充電系統面臨AUV外形為圓弧形狀、海水介質會引起渦流損耗、海水中不便於建立穩定無線通信、洋流及海洋生物對系統的對接姿態產生擾動四個主要問題。
特殊外形造成磁耦合裝置設計困難；海水渦流損耗會降低系統效率；對接姿態變化對能量傳輸與控制系統穩定性提出嚴格要求；在無通信模式下如何實現系統功率控制及如何保證系統安全，這都增加了水下無線充電技術的難度。
針對以上問題，哈爾濱工業大學的科研人員從磁耦合裝置、能量傳輸拓撲及充電功率控制系統三部分開展研究，設計一套基於弧形線圈和二次側控制的無線充電系統，為水下自主航行器無線充電形成一定的技術積累，期望對AUV無線充電技術發展提供一定的借鑑作用。
圖1 磁耦合裝置結構與裝配
首先，提出一種可適應AUV特殊圓弧外形且接收端體積小、質量輕的磁耦合裝置，利用有限元分析和實際測試對磁耦合裝置進行性能分析，得知磁耦合裝置具有良好的磁場自約束能力和耦合係數高達0.53的耦合能力。該裝置具有可適應水下自主航行器特殊圓弧外形、接收端質量輕、磁場自約束效果好的優勢。
圖2 磁耦合裝置實物
其次，對能量傳輸與控制系統進行設計和分析，設計系統運行可靠、二次側獨立控制的能量傳輸和控制拓撲，分析接收側Buck變換器對充電電壓和電流的調節作用，得到佔空比與充電電壓和電流的關係，並完成閉環環路設計。採用二次側控制方式，調節Buck電路佔空比實現系統恆流與恆壓充電控制。最後，通過搭建實驗平臺驗證了該方案的可行性。
圖3 無線充電系統實驗裝置
測試結果表明：該系統可實現對48V電池組（恆流階段設定11A，恆壓階段設定54.1V）正常充電，系統最大充電功率600W，對應效率88.3%。
以上研究成果發表在2020年第14期《電工技術學報》，論文標題為「基於弧形線圈結構的無線充電系統能量傳輸與控制」，作者為蔡春偉、武帥、張言語、劉金泉、楊世彥。
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