1 海底基站或母船向AUV無線充電

為了解決AUV的水下充電難題，研究人員嘗試將無線電能傳輸技術應用到水下，以提高充電系統的可靠性和安全性。2001年，Bradley和Feezor等率先研制出通過海底觀測網向AUV充電的系統，該系統在水下2000m可向AUV提供200W電能，傳輸效率為79%。

由于無線電能傳輸系統的能量發射端與接收端無直接接觸，在水下洋流沖擊下，對接姿態易產生偏移和傾斜，且大多數AUV定位精度低，姿態控制困難，故充電過程中的線圈錯位難以避免。傳統的E形磁心結構雖然磁路封閉性強，效率高，但對磁心的橫向位置敏感度較高，所以傳統的E形磁心結構只適用于固定位置的負載。

允許相對旋轉的錐形和罐形磁心是目前AUV普遍采用的結構，如圖8所示，與E形磁心相比，其磁心結構與線圈布設不同，但其結構都是軸對稱的，一次、二次側均可相對旋轉而不影響傳輸效果。

圖8 錐形磁心和罐形磁心

2004年，日本東北大學和NEC公司將松耦合變壓器進行優化設計，采用了特殊形狀鐵氧體磁心和錐形線圏，優化后的水下無線充電系統可向AUV輸送500W電能，傳輸效率可達90%。

罐形磁心可將線圈間隙的高頻磁場限制在磁心柱體內，形成磁屏蔽效果，其抑制電磁干擾能力強，一次、二次線圈可以獲得較高的耦合系數。

錐形或罐形結構可安裝在AUV腹部或者頭部，當安裝在航行器腹部時，要精確控制對接準確度，防止因對接作用力過大而折斷；當安裝在航行器頭部時，對接過程較容易控制，但這將對航行器導航和聲納系統造成一定影響。

Manikandan等通過海水實驗對比了帶鐵心的平面螺旋線圈、罐形線圈和錐形線圈在不同傳輸距離下的效率表現，指出不同的線圈結構有各自的適用距離。

除了優化磁心結構外，自2004年以來，美國科研人員致力于將AUV的插拔式水下充電塢站（Dock）改造成無線充電方式，研制成功了多型AUV的水下無線充電塢站，并在商業和軍事領域得到成功應用。

我國在水下無線充電領域研究起步較晚，但發展迅速，取得了一些可喜成果。浙江大學陳鷹教授團隊致力于解決深海極端環境帶來的AUV水下無線充電難題，在水下無線充電機理、耦合器分離式結構設計、深海極端環境因素干擾等方面開展了持續深入的研究，圖9為電磁耦合器實驗樣機和封裝結構。

西北工業大學張克涵教授等利用磁耦合諧振式原理，深入研究了海水中能量的傳輸機理以及電渦流損耗，得到計算電渦流損耗的近似公式，公式表明，海水間隙的渦流損耗與諧振頻率的二次方成正比，與傳輸線圈半徑的四次方成正比，與磁感應強度的二次方成正比；設計了環形鐵氧體磁心結構，一次側安裝在基站，二次側安裝在AUV的腹部，如圖10所示，成功實現了500W的電能傳遞，該種環形磁心結構需要對航行器腹部進行改動，通用性有待提高。

圖9 電磁耦合器實驗樣機和封裝結構

圖10 環形鐵氧體磁心結構

為克服由AVU姿態偏移引起的耦合系數變化及諧振頻率偏移，文獻[35]提出并試驗了基于鎖相環的頻率控制方式，使系統保持在諧振頻率點運行，提高了AUV的水下充電效率及穩定性。

此外，天津工業大學、國防科技大學、重慶大學、海軍工程大學、沈陽自動化研究所等單位都陸續開展了AUV水下無線充電研究，取得了一批具有自主知識產權的成果。

2 海洋觀測浮標系統與海底觀測網絡的無線供電

傳統的浮標系統與海底觀測網絡普遍沒有水下電能補給功能，水下傳感系統依靠自身攜帶的電池工作，電池體積和重量較大，限制浮標體內部主要電子設備的體積和功率。美國、日本率先采用電磁感應式無線電能傳輸技術，實現了水下傳感系統的無線供電。

日本TRITON浮標將能量和數據傳輸鏈路合二為一，實現了同步傳輸，能夠為水下設備提供180mW的電能。McGinnis等對傳統海床觀測系統做出了改進，為其設計了一套感應式無線充電系統，可同時對海底固定觀測設備和AUV進行無線電能供應，該系統傳輸距離為2mm，傳輸效率可達70%。

天津大學在國內較早開展了此內容研究，提出了通過浮標體上安裝的太陽電池板為能源的電磁感應式供電方案，系統原理與結構示意圖分別如圖11和圖12所示，該系統可實現能量自給，蓄電池逆變產生的高頻交流電通入水上電磁耦合器內，能量先后通過水上電磁耦合器、系泊鋼纜和水下電磁耦合器，經過兩次電磁感應耦合傳遞到電能中轉電路，經過適當轉換向水下傳感器供電。

圖11 電磁感應式供電方案系統原理

圖12 電磁感應式供電方案系統結構