淺析水下無線電能傳輸技術的發展及應用趨勢

趙文圣

摘 要：無線電能傳輸技術是當下研究的熱點，是人工智能、電子信息、電氣設備等方面重要研發方向，因其使用較比方便，在某些特殊的環境能夠發揮更大的作用。而水下無線電能傳輸根據研究價值，筆者粗淺分析了水下無線電能傳輸技術的發展及應用趨勢。

關鍵詞：無線電能傳輸技術；水下傳輸；應用趨勢

海洋搜救、水下探測、潛水運動等使用的水下設備，大多使用傳統電池供電方式，而水下設備其他供電方式的研究不斷進行，無線電傳輸技術也隨著引入水下設備供電系統之中。在未來，誰能首先解決水下無線電能傳輸問題，誰就能在未來海洋工程中占得先機。

1、無線電能傳輸技術的發展

19世紀30年代，作為第一發現電磁感應現象的英國科學家法拉第，開創了無線電能傳輸的新紀元。1890年，克羅地亞科學家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）提出一個大膽的構想：把地球作為導體，在地球與電離層之間建立起低頻共振，利用環繞地球的表面電磁波來遠距離傳輸電力[1]，后來特斯拉建成了187英尺的無線電能傳輸鐵塔。20世紀90年代，飛利浦公司研發出了無線充電牙刷，通過內部線圈感應充電器發出的磁場后充電。2007年6月，知名的美國麻省理工學院，校內研究小組利用無線電能傳輸技術給遠處的燈泡供電，成功點亮了燈泡，同時點亮了世界對于無線電能傳輸技術的新里程碑。隨著歷史的不斷發展，科學的不斷進步目前無線電能傳輸主要有三種方式，即電磁感應式、電磁共振式、電磁波發射式。

水下無線電能傳輸技術也隨著無線電技術的發展而發展，在我國，浙江大學流體傳動及控制實驗室對于水下電磁耦合、充放電系統、線圈優化等方面都有較大的研究成果，是我國國家重點實驗室；西北工業大學對于水下電路結構設計、水下電磁耦合等方面也進行重點研究；國防科技大學也研究了獨有的水下無線電能傳輸系統。

2、水下無線電能傳輸技術應用發展趨勢

隨著人類對于海洋的不斷開發，水下作業不斷增加，同時要求工作要求難度越高、時間越長，因此水下設備要求更高，能解決更多問題，而無線電能傳輸技術也在向結構多樣化、功能集成化等方向發展，同時也存在急需解決的各種問題。

2.1 結構多樣化

由于各國工業用電標準不一致，設備多樣化，因此無線電能傳輸也在向著多樣化結構發展。以線圈繞組方式分類，可分為單面和雙面繞組方式。單面繞組需要寬度達的耦合器，而耦合器的位置在整個無線電能傳輸系統中有會有很大影響。而且單面繞組式需要設置屏蔽板，用以阻止漏磁通[2]。但由于現代技術的不斷發展，對于電子設備的體積也需要不斷變小，而此時單面繞組式則體現了其體積小、重量輕、扁平化等特性，適用于未來發展需要。

由于水下作業的特殊情況，設備精度一般較低，使用比較困難，因此選擇合適的磁芯對于整個設備的電能傳輸尤為重要。罐型磁芯的電磁屏蔽性較好，在一定程度上能夠很好的抗干擾性，適用于水下作業對于設備的多項要求。

2.2 功能集成化

水下設備功能的實現主要靠能量和信號兩個概念，能量為電氣系統的正常運行提供保障，信號為整個系統的運行、控制、檢測提供了命令。在一個完整的水下無線電能傳輸系統中，需要有控制指令、檢測信號的同時，實現能量的傳輸，這就需要整套系統集能量傳輸和信號發送于一體。目前行業內主要有兩種不同的設備能量信號傳輸方式：

（1）獨立式。整個系統設置兩組線圈，分別進行無線能量傳輸和信號傳輸，兩個線圈相對獨立。但兩組線圈無論水平放置，還是垂直放置，都會發生線圈耦合，產生很大的干擾，同時對于能量有很大損失，數據難以正常傳輸。

（2）高頻注入式。信號和能量的無線傳輸可以通過同一磁路進行，這是高頻注入式的最大特點，它將信號和能量的傳輸集中于一種線圈，通過相同的兩極線圈工作。通過高頻信號波和低頻電能傳輸波結合，形成一個復合波，經過傳輸設備進行傳輸。在此傳輸過程中，能量損耗能控制在一定范圍內，不會影響數據的傳輸，最終達到信號和能量最大化傳輸的目的。

2.3 急需解決的問題

（1）電能傳輸穩定性問題。無線電能傳輸本身就存在很大的不穩定性，在水下作業要求更高。

（2）傳輸距離問題。在各種實驗中發現，一旦距離增大，就需要同時增大線圈半徑，而線圈半徑體積不可能無線增大。

（3）生物安全問題。在整個傳輸系統中，都存在高頻電流和磁場，對生物生存環境有很大的負面影響。

3、結語

無線電能傳輸技術由于其特有的便捷性，特別是針對水下設備能量補給問題，比傳統供電方式有很大的優點，雖然還存在的很多問題，但是通過廣大研究學者的不斷努力，必將逐步解決當下各種技術難點，讓水下無線電能傳輸技術得到更大的發展，擁有更廣闊的前景。

參考文獻：

[1]王浩.磁耦合諧振無線電能傳輸系統耦合狀態與傳輸特性研究[D].東北大學，2015.

[2]賀縣林，戚連鎖，羅寧昭.基于海水環境下ICPT系統電磁耦合器的研究[J].船電技術，2015，35（11）：47-51