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水下无线电能传输系统功率控制策略研究

摘要

随着海洋强国战略的不断实施，水下无人航行器（UnderwaterUnmannedVehicle，

UUV）、水下自主航行器（AutonomousUnderwaterVehicle，AUV）等水下设备的应用

也越来越广泛，这些水下设备均需要稳定的电能供给，其能源供给问题也日益突出。

无线电能传输（WirelessPowerTransfer，WPT）技术采用非接触方式实现能量传递，

相较于传统接触式供能方式，在水下的优势更加明显，将此技术应用于水下环境，可

进一步提高相关设备在水下的续航能力。本文主要围绕磁耦合谐振式的水下无线电能

传输（UnderwaterWirelessPowerTransfer，UWPT）系统功率控制策略展开研究。

首先，研究了UWPT系统的拓扑结构并分析了工作原理。选择了串-串（SS）谐振

补偿结构，并推导了传输效率关系式。构建了考虑海水中损耗的等效电路模型，从电

磁场理论角度分析了海水介质对无线电能传输效率的影响，并通过有限元进行电磁仿

真，得出平面螺旋式耦合机构在海水中进行能量传输过程中磁场和涡流损耗的分布情

况，基于此选择了适用于水下环境的工作频率范围。

然后，提出了基于弱通信的双侧功率及最优效率控制策略和功率数据同步传输方

法。该控制策略只需在功率传输前进行通信以确定初始状态，在功率传输过程中无需

数据传输，降低了控制系统复杂度和对实时通信的依赖。提出一种基于阻抗扰动的功

率数据同步传输方法并用于控制系统。研究了一次侧使用Buck降压斩波电路进行功率

闭环和二次侧使用Boost升压斩波电路进行闭环阻抗匹配的双侧控制方式，一次侧实现

传输功率控制，二次侧进行阻抗匹配实现最大效率传输。

最后，研制了UWPT样机并搭建了实验平台。通过实验分析了UWPT系统的传输

特性；采用电子负载模拟电池充电过程中等效阻抗的变化，进而实验验证了所提出的

基于弱通信的双侧控制策略的有效性，证明了能够在传输所需功率的同时实现最大效

率传输。UWPT实验样机在磁耦合机构50mm传输间距情况下，在海水中实现1kW功

率传输，最大效率88.59%。

关键词：水下无线电能传输；磁耦合谐振式；功率控制策略；弱通信；最大效率

水下无线电能传输系统功率控制策略研究

Abstract

Withthecontinuousimplementationofthestrategyformaritimepower,theapplicationof

underwaterequipmentsuchasUnderwaterUnmannedVehicle(UUV)andAutonomous

UnderwaterVehicle(AUV)isbecomingmoreandmorewidespread.Allofthisunderwater

equipmentneedsastablepowersupply,buttheproblemofenergysupplyisbecoming

increasinglyprominent.WirelessPowerTransfer(WPT)technologyisanuntouchedstyleof

transferringenergy,whichhasmoreobviousadvantagesinunderwaterthantraditionalmethods

ofcontactingenergysupply,anditsapplicationinunderwaterenvironmentcanfurtherimprove

theenduranceofrelevantequipment.Thispapermainlyconductresearchonthepowercontrol

strategyofthemagneticallycoupledresonant