2019年第27卷第4期

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綜述評論

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作者信息

作者：文海兵,  宋保維,  張克涵,  閆爭超

單位：西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072

基金項目：陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃項目資助(2018JM5033). 

摘 要

相較于傳統(tǒng)的濕插拔水下電能補(bǔ)給方式, 磁耦合諧振式無線電能傳輸(MCR-WPT)技術(shù)具有絕緣性好、結(jié)構(gòu)簡單、電能傳輸安全性高、操作方便等優(yōu)勢, 在水下航行器等海洋機(jī)電設(shè)備電能補(bǔ)給方面有良好的應(yīng)用前景。文章首先介紹了MCR-WPT技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理, 重點(diǎn)關(guān)注了海洋環(huán)境下MCR-WPT的特殊性; 分別從機(jī)理研究和應(yīng)用研究兩方面闡釋了水下MCR-WPT技術(shù)的研究現(xiàn)狀與熱點(diǎn)問題; 最后分析了該技術(shù)待解決的關(guān)鍵問題及其發(fā)展趨勢, 主要包括電能傳輸機(jī)理、電磁耦合器設(shè)計、系統(tǒng)海洋環(huán)境適應(yīng)性、電磁兼容性以及新材料的應(yīng)用。文中研究旨在為我國水下MCR-WPT技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供參考。  

0引言           

海洋蘊(yùn)藏著豐富的生物資源、礦產(chǎn)資源及可再生能源, 是全球生命支持系統(tǒng)的重要組成部分, 也是人類社會可持續(xù)發(fā)展的寶貴財富。水下航行器等海洋機(jī)電設(shè)備是人類開發(fā)利用海洋資源的重要工具。能源問題是制約水下機(jī)電設(shè)備在海洋中長時間連續(xù)工作的主要因素。受水下航行器體積限制, 其自帶的電池有限, 無法滿足工作需求。目前, 水下航行器主要通過定時上浮到海面, 利用母船或近岸線纜進(jìn)行能源補(bǔ)給。這種工作方式效率低, 大量能源被消耗在航行器往返行程中, 且隱蔽性差。當(dāng)前, 歐美發(fā)達(dá)國家正在建設(shè)的海洋觀測網(wǎng)絡(luò)[1]主要包括海底基站、傳感器、水下航行器等設(shè)備, 通過光纖網(wǎng)絡(luò)、浮標(biāo)等方式將探測數(shù)據(jù)傳回到地面工作站, 實現(xiàn)對海洋各種環(huán)境參數(shù)的全天候?qū)崟r監(jiān)測。我國目前也在東海和南海建設(shè)有海洋觀測網(wǎng)絡(luò)[2]。海洋觀測網(wǎng)絡(luò)中的海底基站為水下航行器提供了水下電能補(bǔ)給節(jié)點(diǎn), 在電能即將耗盡時, 水下航行器航行到就近的海底基站, 與海底基站進(jìn)行自動對接, 應(yīng)用無線電能傳輸技術(shù)進(jìn)行電能補(bǔ)給, 電能補(bǔ)給完成后繼續(xù)執(zhí)行相關(guān)任務(wù)。由此, 可顯著提高水下航行器的工作連貫性和隱蔽性。將無線電能傳輸技術(shù)運(yùn)用于水下電能補(bǔ)給, 電能發(fā)送端和接收端不需要電路間的物理連接, 可避免傳統(tǒng)濕插拔電能補(bǔ)給方式由于金屬接插件接觸引起的火花、漏電、磨損和積炭等安全隱患[3], 可有效提高水下航行器能源補(bǔ)給的安全性。

目前, 根據(jù)工作原理的不同, 無線電能傳輸主要包括電場耦合式、磁場耦合式、微波輻射、激光和超聲波等方式。由于海水導(dǎo)電, 故在海洋環(huán)境下電場耦合式很難使用; 磁場耦合式又分為感應(yīng)耦合式和諧振耦合式, 其中感應(yīng)耦合式是基于變壓器原理, 其傳輸距離較小, 僅為毫米級別; 微波輻射和激光無線電能傳輸?shù)膶嵸|(zhì)都是利用電磁波束來代替導(dǎo)線, 其缺點(diǎn)是傳輸效率低, 工作頻率較高, 對生物體有嚴(yán)重影響; 在水下利用超聲波傳輸電能需要高效的換能器, 且電能傳輸效率較低。磁耦合諧振式無線電能傳輸(magnetica- lly-coupled resonant wireless power transfer technology, MCR-WPT)系統(tǒng)在近、中距離時, 都能實現(xiàn)電能的大功率高效傳輸, 特別適合海洋環(huán)境下水下航行器等機(jī)電設(shè)備的電能補(bǔ)給。

      目前關(guān)于無線電能傳輸技術(shù)的綜述文獻(xiàn)較多, 但少有針對水下MCR-WPT的綜述。牛王強(qiáng)[4]總結(jié)了水下無線電能傳輸研究進(jìn)展, 但其研究側(cè)重于系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)。文中針對水下MCR-WPT進(jìn)行研究進(jìn)展綜述, 從介紹其工作原理出發(fā), 分析闡釋目前國內(nèi)外對MCR-WPT的研究現(xiàn)狀和熱點(diǎn)問題, 討論尚待解決的關(guān)鍵問題及發(fā)展趨勢。

1水下MCR-WPT基本結(jié)構(gòu)及工作原理   

1.1  基本結(jié)構(gòu)

      MCR-WPT系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由電源、高頻逆變電路、發(fā)送端補(bǔ)償電路、電能發(fā)送線圈、電能接收線圈、接收端補(bǔ)償電路、整流濾波電路和負(fù)載等組成。海底基站的電能經(jīng)過高頻逆變后, 輸出給發(fā)送線圈, 在磁耦合諧振作用下, 接收線圈與發(fā)送線圈產(chǎn)生耦合諧振, 接收的電能經(jīng)過整流濾波后, 可用于蓄電池充電等電能補(bǔ)給需求, 從而實現(xiàn)電能從海底基站到水下航行器的無接觸式傳輸。

圖1  磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)原理圖

典型的MCR-WPT系統(tǒng)為兩線圈結(jié)構(gòu), 包括電能發(fā)送線圈和電能接收線圈, 如圖2(a)所示。Kurs等[5]提出了四線圈結(jié)構(gòu), 如圖2(b)所示, 其系統(tǒng)包括2個諧振線圈、1個與電源相連的電源激勵線圈和1個與負(fù)載相連的負(fù)載線圈。該結(jié)構(gòu)能進(jìn)行電源匹配和負(fù)載匹配, 實現(xiàn)了電源與電能發(fā)送線圈隔離, 負(fù)載與接收線圈隔離。周杰[6]在水下MCR-WPT系統(tǒng)中采用了三線圈結(jié)構(gòu): 在電能發(fā)送線圈和接收線圈中增加1個諧振中繼線圈。Zhang等[7]提出了1種包含2個電能發(fā)送線圈、1個接收線圈的三線圈結(jié)構(gòu), 如圖2(c)所示。

1.2  工作原理

      采用電路互感理論, 可分別得到上文中提到的3種MCR-WPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的等效電路, 如圖2所示[5,7](以發(fā)送線圈側(cè)串聯(lián)電容與接收線圈側(cè)串聯(lián)電容補(bǔ)償(series-series, S-S)為例)。

圖2  MCR-WPT系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)等效電路圖

       在MCR-WPT系統(tǒng)中, 電源供電給電能發(fā)送線圈, 當(dāng)頻率為系統(tǒng)諧振頻率時, 發(fā)送線圈一側(cè)會發(fā)生諧振, 將使線圈中產(chǎn)生較大的電流, 建立較強(qiáng)的磁場。由于諧振的作用, 發(fā)送線圈一側(cè)的電容中儲存的電場能與電感線圈中的磁場能不斷地進(jìn)行交換。在接收線圈一側(cè), 由于接收側(cè)感應(yīng)線圈和發(fā)送側(cè)感應(yīng)線圈的磁場相互耦合, 交變的磁場在接收線圈中感應(yīng)產(chǎn)生電流。當(dāng)接收線圈一側(cè)也發(fā)生諧振時, 其中感應(yīng)線圈的磁場能與電容中的電場能不斷地進(jìn)行能量交換, 由此實現(xiàn)了電能從發(fā)送端到接收端, 再到負(fù)載的無線傳輸。四線圈結(jié)構(gòu)和三線圈結(jié)構(gòu)中系統(tǒng)電能傳輸工作原理與此類似。兩線圈結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單, 但系統(tǒng)電能傳輸性能易受線圈偏移等影響; 四線圈結(jié)構(gòu)隔離了高頻電源和負(fù)載對諧振線圈的影響, 便于阻抗匹配, 缺點(diǎn)是耦合次數(shù)增多, 在海水中損耗增加; 三線圈結(jié)構(gòu)可適當(dāng)增大傳輸距離, 減少渦流損耗, 降低諧振線圈偏移對系統(tǒng)電能傳輸性能的影響, 缺點(diǎn)是多線圈耦合易產(chǎn)生失諧問題。 

2水下MCR-WPT研究現(xiàn)狀與熱點(diǎn)問題 

2.1  機(jī)理研究

2.1.1  渦流損耗

與空氣相比, 海水具有良好的導(dǎo)電性能(空氣電導(dǎo)率為0 s/m, 海水電導(dǎo)率為1~6 s/m)。當(dāng)線圈中有高頻交變電流時, 會產(chǎn)生交變高頻磁場, 交變磁場會產(chǎn)生渦旋電場, 進(jìn)而在海水中產(chǎn)生渦旋電流, 并由此產(chǎn)生較大的電渦流損耗。相比于空氣, 海水中MCR-WPT系統(tǒng)的傳輸效率和性能會有所下降。對渦流損耗的研究對于揭示水下MCR-WPT機(jī)理具有重要意義。

陳鷹團(tuán)隊[8-9]采用理論推導(dǎo)和有限元仿真相結(jié)合的方法分別研究了罐型磁芯和PM型磁芯電磁耦合器的渦流損耗。對罐型磁芯的研究發(fā)現(xiàn), 渦流損耗導(dǎo)致的能量損失主要產(chǎn)生于磁芯窗口處, 采用絕緣密封膠灌封磁芯窗口可有效降低渦流損耗[8]。對PM型磁芯的研究表明, 渦流損耗與電磁耦合器間隙(即傳輸距離)、激勵電流和諧振頻率有密切關(guān)系, 優(yōu)化系統(tǒng)工作頻率可明顯提高電能傳輸效率[9]。朱春波等[10]研究發(fā)現(xiàn), 當(dāng)系統(tǒng)工作頻率超過一定值(約為36 kHz)時, 渦流損耗將明顯超過系統(tǒng)的銅損和鐵損, 成為能量損失的主要來源。張克涵等[11]分析了圓柱形線圈中電渦流損耗與線圈半徑、諧振頻率、傳輸距離和磁感應(yīng)強(qiáng)度等因素的關(guān)系, 并進(jìn)行了試驗驗證。

2.1.2  電路拓?fù)?nbsp; 

2.1.3  海洋環(huán)境影響

2.2  應(yīng)用研究

2.2.1  水下航行器無線電能補(bǔ)給

2.2.2  海洋觀測浮標(biāo)系統(tǒng)無線電能補(bǔ)給

3關(guān)鍵問題及發(fā)展趨勢 

水下與空氣中MCR-WPT的基本傳輸原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大致相同。盡管近年來水下MCR-WPT已取得了一些發(fā)展成果, 但由于海水的導(dǎo)電性、海洋環(huán)境的特殊性以及應(yīng)用領(lǐng)域的獨(dú)特性, 目前仍有諸多關(guān)鍵問題亟待解決。

3.1  海水MCR-WPT技術(shù)機(jī)理

互感電路模型在揭示海水MCR-WPT機(jī)理時不再適用, 如前文所述的全互感模型[8]和修正互感模型[12]等都僅適用于電路局部分析, 無法全面系統(tǒng)揭示海水MCR-WPT電能傳輸機(jī)理。在海水渦輪損耗研究方面, 目前的研究均針對特定的電磁耦合器, 研究結(jié)果沒有普適性, 且渦流損耗理論研究和數(shù)值仿真的準(zhǔn)確性有待提升, 難以為系統(tǒng)電能傳輸效率、功率等關(guān)鍵性能的優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。因此, 需要形成全面、系統(tǒng)的電路模型, 在此基礎(chǔ)上, 從理論推導(dǎo)、數(shù)值仿真和試驗測試等多方面精確定量分析渦流損耗, 研究渦流損耗產(chǎn)生機(jī)理和影響因素, 準(zhǔn)確揭示海水MCR-WPT系統(tǒng)電能傳輸機(jī)理, 為提升系統(tǒng)電能傳輸性能提供理論依據(jù)。

3.2  電磁耦合器設(shè)計

電磁耦合器是水下MCR-WPT系統(tǒng)的最關(guān)鍵部件, 其性能決定了系統(tǒng)的電能傳輸性能。在電磁耦合器的設(shè)計中, 既要考慮其性能, 又要結(jié)合實際應(yīng)用場合, 考慮其安裝、對接等需求和抗海流沖擊干擾等多種因素, 此外, 還要協(xié)調(diào)傳輸距離與電磁耦合器體積之間的矛盾。

         針對水下航行器無線電能補(bǔ)給系統(tǒng), 研究人員已設(shè)計出多種結(jié)構(gòu)的電磁耦合器。Kojiya等[20]設(shè)計了特殊形狀的電磁耦合器和錐形線圈(見圖7(a)), 極大提升了其電能傳輸性能。陳鷹等針對具體海底基站與航行器的接駁結(jié)構(gòu), 分別設(shè)計了罐型(見圖7(b)) [8]、PM型(見圖7(c))[9]、同軸型(見圖7(d))[27]電磁耦合器。王司令等[28]提出了分別安裝在海底基站和航行器腹部的環(huán)形電磁耦合器結(jié)構(gòu)(見圖7(e))。朱春波等[10]研發(fā)了基于松耦合變壓器磁芯結(jié)構(gòu)的半封閉式電磁耦合器(見圖7(f))。Kan等[29]提出了一種三相的電磁耦合器結(jié)構(gòu), 理論分析表明其性能優(yōu)于同軸式電磁耦合器(見圖7(g)), 且具有良好的抗航行器橫滾干擾的優(yōu)點(diǎn)。

圖7  適用于水下無線電能補(bǔ)給的不同結(jié)構(gòu)電磁耦合器

3.3  海洋環(huán)境適應(yīng)性

如前文所述, 海洋環(huán)境中的海流沖擊、深海高壓導(dǎo)致的壓磁效應(yīng)、海水鹽度、溫度、微生物附著等干擾會引起水下MCR-WPT系統(tǒng)參數(shù)的變化, 影響電能傳輸穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[6]、[8]、[15]、[16]的研究深度不足, 且缺乏系統(tǒng)性, 提出的增強(qiáng)系統(tǒng)海洋環(huán)境適應(yīng)性的措施未經(jīng)過試驗測試驗證, 不具有普遍適應(yīng)性。與空氣相比, 海洋應(yīng)用環(huán)境顯得尤為特殊, 海洋機(jī)電設(shè)備一般為無人系統(tǒng), 水下深海高壓環(huán)境使得維護(hù)成本非常高, 而且某一設(shè)備的故障易造成海洋觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體故障, 損失無法估量。因此, 在各種海洋環(huán)境因素干擾下, 水下MCR-WPT系統(tǒng)電能穩(wěn)定高效傳輸顯得極其重要。結(jié)合具體使用環(huán)境, 深入分析各海洋環(huán)境參數(shù)對MCR-WPT系統(tǒng)的影響機(jī)理, 以系統(tǒng)電能穩(wěn)定傳輸為目標(biāo), 有針對性地提出提升系統(tǒng)海洋環(huán)境適應(yīng)性的措施, 具有極其重要的實用價值。

3.4  電磁兼容性

水下MCR-WPT系統(tǒng)的電能發(fā)送線圈和接收線圈在工作時會產(chǎn)生高頻交變強(qiáng)電磁場, 部分電磁場會發(fā)射到系統(tǒng)之外, 容易對水下航行器等海洋機(jī)電設(shè)備的導(dǎo)航、聲吶、引信等電子部件產(chǎn)生干擾, 影響其正常功能, 甚至引起誤動作, 造成損壞。在軍事應(yīng)用中, 水下MCR-WPT系統(tǒng)電磁場向外輻射, 也將嚴(yán)重降低水下航行器的電磁隱身性能。另一方面, 海洋機(jī)電設(shè)備的電子、電氣部件工作時產(chǎn)生的高次諧波也會對水下MCR-WPT系統(tǒng)造成干擾, 當(dāng)高次諧波和系統(tǒng)諧振頻率接近時, 干擾最嚴(yán)重, 會導(dǎo)致系統(tǒng)電能傳輸效率嚴(yán)重下降。因此, 需要解決水下MCR- WPT系統(tǒng)的電磁兼容問題, 采取有效措施減小系統(tǒng)對外界的電磁干擾, 同時增強(qiáng)系統(tǒng)的抗外界電磁干擾能力。目前, 此問題未引起研究者足夠重視, 僅有Kan等[29]采取數(shù)值仿真的方法研究了MCR-WPT系統(tǒng)對水下航行器電子部件的電磁干擾問題。李澤松[8]研究發(fā)現(xiàn), 電磁耦合器金屬外殼可以起到電磁屏蔽的作用, 但磁芯間隙的漏磁通會在金屬外殼產(chǎn)生渦流損耗, 降低系統(tǒng)效率, 通過在金屬外殼與磁芯之間增加薄銅皮作為屏蔽層可減少渦流損耗, 同時實現(xiàn)電磁屏蔽效果。Lu[30]提出了可通過對優(yōu)化耦合線圈布局, 增加屏蔽線圈, 從而有效降低雜散磁場, 同時不影響系統(tǒng)電能傳輸效率。Syahroni[31]對水下航行器采用電磁和聲波吸波材料, 可有效提升其電磁隱身性能。周洪[32]總結(jié)的MCR-WPT系統(tǒng)的電磁環(huán)境安全性在水下應(yīng)用時也應(yīng)得到重點(diǎn)關(guān)注。

3.5  新材料的應(yīng)用

水下MCR-WPT系統(tǒng)的目標(biāo)是為水下航行器等海洋機(jī)電設(shè)備提供長距離、大功率、高效率和穩(wěn)定的無線電能補(bǔ)給, 同時盡量減少系統(tǒng)對外界的電磁干擾, 增強(qiáng)系統(tǒng)抗外界電磁干擾的性能。近年來, 隨著新材料的發(fā)展及其在MCR-WPT中的成功運(yùn)用, 以上限制被逐漸突破。

水下MCR-WPT系統(tǒng)的電能發(fā)送線圈和接收線圈產(chǎn)生的銅損是主要的系統(tǒng)能量損耗。在特定條件下可實現(xiàn)零電阻的超導(dǎo)材料能夠有效降低系統(tǒng)銅損。Chung等[33]利用超導(dǎo)材料制成電能發(fā)送線圈, 相比于普通線圈, 超導(dǎo)材料線圈的電能傳輸效率明顯升高, 此外, 試驗測試還表明超導(dǎo)線圈可成功用于大距離無線電能傳輸系統(tǒng)。

       超材料是指具有普通天然材料所不具備的超常特殊物理性質(zhì)的材料, 一般為人工復(fù)合材料。具有介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都為負(fù)值等特殊電磁性質(zhì)的電磁超材料可運(yùn)用于MCR-WPT技術(shù)中。Wang[34]通過試驗測試發(fā)現(xiàn), 將電磁超材料運(yùn)用于MCR-WPT系統(tǒng)中, 可增加線圈之間的耦合, 同時還能建立均勻的電流分布, 增強(qiáng)磁場, 極大提高傳輸效率。康樂等[35]針對海水中電磁波損耗大而帶來的MCR-WPT系統(tǒng)傳輸效率低下的問題, 提出運(yùn)用電磁超材料“放大”消逝波, 從而增強(qiáng)電磁波能量密度, 使系統(tǒng)傳輸效率顯著提升。

4結(jié)束語 

MCR-WPT技術(shù)近年來發(fā)展迅猛, 由于其具有可在電能發(fā)送端和接收端物理隔離的情況下實現(xiàn)電能傳輸?shù)奶攸c(diǎn), 使得其在水下航行器等海洋機(jī)電設(shè)備電能補(bǔ)給領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。文中在介紹水下MCR-WPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上, 分別從機(jī)理研究和應(yīng)用研究兩方面綜述了其研究現(xiàn)狀和熱點(diǎn)問題。最后討論了水下MCR-WPT待解決的關(guān)鍵問題和發(fā)展趨勢, 包括: 海水MCR-WPT技術(shù)機(jī)理、電磁耦合器設(shè)計、海洋環(huán)境適應(yīng)性、電磁兼容性以及新材料的應(yīng)用等。可以預(yù)計, 該項技術(shù)將會被廣泛應(yīng)用于海洋機(jī)電設(shè)備電能補(bǔ)給領(lǐng)域。

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