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無(wú)線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）技術(shù)將電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論與技術(shù)等相結(jié)合，通過(guò)磁場(chǎng)、電場(chǎng)、微波、激光等載體實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳輸，該技術(shù)已經(jīng)成為了全球研究的熱點(diǎn)，它可以解決傳統(tǒng)導(dǎo)線直接電氣接觸帶來(lái)的很多問(wèn)題，具有廣闊的應(yīng)用前景。

電場(chǎng)耦合無(wú)線電能傳輸（Electric-filed Coupled Wireless Power Transfer, EC-WPT）技術(shù)利用金屬板間的高頻交變電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)能量無(wú)線傳輸，其耦合機(jī)構(gòu)具有成本低、質(zhì)量輕、形狀易變等特點(diǎn)，系統(tǒng)工作時(shí)在耦合機(jī)構(gòu)周圍及之間的金屬導(dǎo)體上產(chǎn)生的渦流損耗小，并且能夠跨越金屬傳能。目前EC-WPT技術(shù)已經(jīng)在消費(fèi)電子、醫(yī)療用品及電動(dòng)汽車等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

相對(duì)于空氣中的EC-WPT技術(shù)而言，水下電場(chǎng)耦合無(wú)線電能傳輸技術(shù)的研究才剛剛起步。EC-WPT技術(shù)在水下應(yīng)用具有諸多優(yōu)勢(shì)，其利用高頻電場(chǎng)傳能，產(chǎn)生渦流損耗較小；耦合機(jī)構(gòu)采用金屬極板，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在水下應(yīng)用時(shí)只需在表面涂上一層絕緣層即可；金屬極板比較堅(jiān)固，能夠適應(yīng)深水中壓強(qiáng)較大的場(chǎng)合。

此外，極板間的耦合電容是EC-WPT系統(tǒng)傳能的關(guān)鍵因素，而水中的相對(duì)介電常數(shù)為81，能夠極大地提高極板間的耦合電容，有利于提升系統(tǒng)的傳輸功率和效率。同時(shí)在系統(tǒng)中，耦合電容的提高意味著可以用更小的電感進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)一步減小了系統(tǒng)的體積且可以降低成本，有利于提高系統(tǒng)的功率密度。

目前面向水下的EC-WPT系統(tǒng)耦合機(jī)構(gòu)主要采用四塊正對(duì)的平行金屬極板，不能適用于水下旋轉(zhuǎn)設(shè)備無(wú)線供電的應(yīng)用場(chǎng)景，且對(duì)于水下耦合機(jī)構(gòu)發(fā)生位置偏移的情況尚未有文獻(xiàn)進(jìn)行研究。

針對(duì)水下環(huán)境中旋轉(zhuǎn)設(shè)備無(wú)線供電的應(yīng)用需求，以及取電設(shè)備移入移出可能會(huì)發(fā)生偏移的應(yīng)用場(chǎng)景，重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院、國(guó)家無(wú)線電能傳輸技術(shù)國(guó)際聯(lián)合研究中心的研究人員蘇玉剛、錢林俊、劉哲、鄧仁為、孫躍，在2022年第10期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，以淡水中利用電場(chǎng)耦合方式給旋轉(zhuǎn)設(shè)備進(jìn)行無(wú)線供電的應(yīng)用為例，提出一種考慮絕緣層情況的水下通過(guò)旋轉(zhuǎn)耦合機(jī)構(gòu)供電的EC-WPT系統(tǒng)，分析絕緣層相對(duì)介電常數(shù)和厚度對(duì)電容的影響規(guī)律，得到絕緣層材料和厚度的選取方法，建立耦合機(jī)構(gòu)模型。

圖1 水下旋轉(zhuǎn)式耦合機(jī)構(gòu)示意圖

研究人員以雙側(cè)LC補(bǔ)償?shù)腅C-WPT系統(tǒng)為例，建立系統(tǒng)的等效電路模型，以系統(tǒng)輸出功率、傳輸效率為待優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，系統(tǒng)頻率、k值和補(bǔ)償電感作為決策變量，將諧振條件、器件耐壓耐流值和抗偏移性作為約束條件，給出基于第二代非支配排序遺傳算法（Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II, NSGA-II）的多約束多目標(biāo)優(yōu)化方法，優(yōu)化得到多約束條件下的Pareto最優(yōu)前沿，根據(jù)實(shí)際需求選擇一組最優(yōu)解。

圖2 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

他們構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型，并搭建旋轉(zhuǎn)式水下EC-WPT實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較在耦合機(jī)構(gòu)及參數(shù)優(yōu)化方法相同的情況下，系統(tǒng)在水下和空氣中的能量傳輸性能，以及不同環(huán)境中的抗偏移效果。

表1 水下和空氣環(huán)境指標(biāo)對(duì)比

研究人員指出，當(dāng)搭建的實(shí)驗(yàn)裝置輸出功率為311W時(shí)，傳輸效率為87.4%，系統(tǒng)縱向偏移20mm或橫向偏移9mm時(shí)，輸出功率和效率仍能滿足需求。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中比較了在輸入電壓、負(fù)載、耦合機(jī)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化方法相同的情況下，系統(tǒng)在水下和空氣中的輸出功率、效率和抗偏移效果，結(jié)果表明，系統(tǒng)在水下的輸出功率比空氣中高約2倍，并且在水下的抗偏移性優(yōu)于空氣環(huán)境。

本文編自2022年第10期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“水下具有旋轉(zhuǎn)耦合機(jī)構(gòu)的電場(chǎng)耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)及參數(shù)優(yōu)化方法”。本課題得到了國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目的支持。