为锚泊水下SSB蓄电池充电应用设计无通信且高效的无线电力传输系统

2026-08-05 20:30:44

随着海洋探测的紧迫需求，无线电力传输（WPT）技术被高度重视，以解决水下设备的耐久性问题。然而，依赖无线通信以满足理想充电曲线的传统水下WPT系统，容易受到海水高导电性干扰。为避免无线通信，本文提出了一种利用初级夹具电路结构的新型无线充电器拓扑结构。拟议的WPT系统可在水下设备充电过程中自动实现恒流模式与恒压模式的平滑过渡。此外，整个充电过程中实现零无功输入，以提升充电效率。此外，还分析了海水涡流损失和被动元件寄生参数对输入和输出特性的影响，以优化拓扑参数设计过程。与类似文献相比，二级结构更简单，无需额外的夹具线圈。为验证该拓扑结构的可行性，建造了一个2.5A充电电流、50伏充电电压的海水环境实验平台，实验结果与理论分析高度吻合。
能源供应能力是限制水下装置续航力、运行范围和功能多样性的关键因素。传统的湿式插头接触式能源供给方式需要人工协助进行对接，这存在安全问题，且不符合设备智能趋势和以人为本的发展理念（Yan等，2019）-（Chen 等，2025）。目前，无线电力传输（WPT）技术具有灵活性、便利性、安全性等优势。它已被广泛应用于多个工业领域，包括植入式医疗设备、消费电子和电动汽车（Zeng 等，2023）-（Liu 等，2023）。因此，通过将WPT技术应用于水下环境，可以通过降低对接要求和降低线圈错位的精度要求，提升海洋设备的电力供应可靠性，例如自主水下航行器（AUV）。（Can等，2018）
电池作为广泛使用的储能单元，其充电过程通常从恒流（CC）开始，以恒压（CV）模式结束。如今，许多关于空中无线充电器的研究都被研究。相位移调制是一种广泛使用的闭环输出调节策略（Chen 等，2024），但需要无线通信或参数估计，因此响应速度和控制精度会受到影响。为解决此问题，充电电流/电压可以通过在次级侧串联DC/DC转换器调节。然而，这种方法往往会增加接收设备的体积、成本和重量（Kim 等，2019）。为避免一次级和次级器件之间额外的元件添加和信息交互，提出了一种半主动整流器，通过用电源开关替代两个整流二极管（Wu等，2021），但会引入一些额外的虚阻抗以引起系统失谐。此外，次级电流零交叉点检测的需求将增加控制复杂度。
为了简化控制复杂度，利用补偿网络的固有输入和输出特性实现CC/CV充电曲线（Liu 等，2024;Yang 等，2024a;Yang 等，2023）。在（Liu等，2024）中，主侧采用两个继电器来切换发射机以实现CC和CV模式转换，但切换点的确定取决于无线通信，这取决于主调制方法。此外，由于采用六个联轴线圈，传动效率难以超过90%。相比之下，通过在接收端增加一个额外的交流交换机，WPT拓扑可以在提供CC输出的S-LCC网络和带有CV输出的S-SP网络之间重构（Shanmugam 和 N. R.， 2024）。然而，在过渡过程中，可能会产生严重的电压或电流尖峰，从而引发潜在的安全隐患。为避免此问题，通过在固定补偿网络下调整工作频率，WPT系统可以实现CC模式与CV模式的转换（Gupta 和 Samanta，2024）。然而，频率调节在初级端实现，需要无线通信或参数估计以获得次级电池状态。
更重要的是，对于水下设备，除了接收器设计轻便以减轻系统重量和体积外，海水更高的导电率还会导致电磁波在传播过程中迅速衰减，从而降低数据传输速度和精度（Zhang 等，2020）——（Wang 等，2025）。此外，由于存在不确定的涡流损失，采用的初级参数识别方法的估计准确性也会受到影响（Niu 等，2022）-（Wang 等，2023）。因此，采用接收机拓扑简单且无采样过程的WPT系统更适合水下设备。
近年来，许多具有CC-CV传输能力的WPT拓扑被提出。提出了基于LCL/CLC谐振整流器的WPT拓扑结构，并利用整流二极管的单向电导特性，具备固有的CC-CV充电特性（任等，2024）。然而，过多的被动元件会使接收器设备体积庞大，且无法应用于对设备重量和体积要求极为严格的场景，如无人机和机载应用（Li 和 马，2022）。在（Huang等，2021）中，提出了一种具有固有CC-CV过渡能力的初级夹线圈辅助无线电池充电拓扑结构。当初级谐振电流低于预设值时，箝位线圈电路保持不活跃状态，使WPT系统能够以CC模式运行。随着充电过程中，初级线圈电流上升，夹紧线圈电路启动，将初级线圈电流钳制在恒定值，整个系统在CV模式下运行。尽管接收机的重量和体积可以减轻，但多线圈耦合器期间的交叉耦合问题会极大影响输入和输出特性。甚至通过优化补偿网络、逆变器或耦合器结构，也能提升电路性能。交叉耦合问题依然存在（Huang 等，2024）-（Guo 等，2025）。
为了实现接收机轻量化设计并避免交叉耦合问题，论文提出了一种基于钳位电路的WPT拓扑结构，具有固有的CC-CV转换能力。通过利用二极管的单向电导特异性，拟议的WPT拓扑可以实现等效电路重建，以满足理想的电池充电曲线。此外，整个充电过程中可以实现输入零相角（ZPA），实现无功功率的最小化。此外，理论分析证明，所提出的WPT拓扑结构可以通过适当的参数优化，在海底环境下正常运行。