水下能源供給平臺電能供給技術發展現狀及趨勢

張懷亮

綜述

水下能源供給平臺電能供給技術發展現狀及趨勢

張懷亮

（海裝裝備項目管理中心，北京 101149）

無人水下裝備在海洋資源開發和海洋軍事活動中扮演重要角色，但能源供給面臨挑戰。研發水下能源供給平臺可以解決水下裝備的能源難題，擴大水下裝備的作戰范圍和工作時間。本文對近海域水下能源供給平臺電能供給技術國內外現狀及主要差距進行了概述，對系統組成及發展趨勢進行分析，最后對近海域水下能源供給平臺電能供給技術進行總結，并對發展前景進行展望。

水下能源 供給平臺 電能供給技術

0 引言

當前，自主水下航行器、水下預置平臺等無人水下裝備在海洋資源開發、海洋軍事活動中承擔著日益重要的角色[1-4]。隨著所承擔的任務不斷增多，無人水下裝備能源需求整體處于不斷攀升狀態，但受尺寸、重量的限制，無人水下裝備攜帶的能源是有限的。針對無人裝備在未來海戰中面臨的電能獲取、充電等難題，研發水下能源供給平臺，實現水下無人裝備就地充電[5]，可有效解決水下無人裝備的能源供電難題，形成適用于水下裝備能源獲取、存儲、傳輸、管理能力，可大幅拓展水下無人裝備的作戰范圍和工作時間。

1 系統概述

水下能源供給平臺主要由智能管控模塊、發電模塊、儲能模塊、無線充電模塊和平臺基座等組成，如圖1所示。其中，智能管控模塊是全系統電力控制中樞，主要將各個發電子系統和儲能系統電氣集成在多端口集成能量變換器進行電氣變換，并且將各類能量信息進行采集、傳遞、存儲、管理、控制，開展水下能源供給平臺的能量管理及其控制策略，分析研究平臺主要設備的狀態信息和技術特征，對設備狀態進行綜合診斷和推理，對故障狀態進行診斷。發電模塊主要由潮流能發電[6]、波浪能發電、鹽差發電[7]、溫差能發電[8]等新型能源發電單元構成，將各種海洋能轉換為電能，通過水下電纜將電能儲存到儲能模塊中，負責水下能源供給平臺的原位電能補給。儲能模塊是水下能源供給平臺能源網絡的能量存儲設備，主要由常規二次電池組和備用的一次電池組構成，通過對儲能變流器的控制，快速吸收/補充電能，主要用于存儲發電單元發出的電能。無線充電模塊是水下能源供給平臺與水下裝備間電能傳輸的關鍵設備，采用磁耦合諧振無線電能傳輸技術，利用能源補給平臺中儲存的電能，對水下裝備進行非接觸的能源補給，無線充電模塊在設計時需要考慮較強的通用性及接駁方式的多樣化，能夠滿足各種水下裝備的充電要求；平臺基座主要為其他子系統提供安裝與運行基座，實現各子系統機械接口匹配適應。

圖1 水下能源供給系統

2 發展現狀

為解決無人潛航器長期部署和隱蔽作戰所面臨的能源供應不足、通信難等問題，各國海軍正積極研發水下充電基站[9]，水下充電基站可由艦船等布放，分布式預置部署在水下數百至數千米預置，為水下裝備提供能源補給。2001年，Bradley和Feezor等率先利用海底觀測網向AUV充電，充電功率200 W，效率為79%。2015年，美國海軍啟動了一項名為“前沿部署能源與通信基地”的樣機研制項目，計劃在約3000米深的海底布設一定數量的水下充電站[10]。美國開發了名為“海洋樞紐（OceanHub）”的能源補給基站，通過非接觸充電技術對無人水下潛航器進行充電。2018年8月，泰萊達能源系統公司完成“水下懸浮充電節點”樣機水下演示驗證，在水深7米的環境下為無人潛航器充電[11]。2020年，日本東京大學研發出一種水下對接充電系統，能為無人潛航器提供水下能源補給，大幅度提升其長期、持續的水下作業能力[12]。

“十二五”以來，我國持續部署重大項目，在水下能源、通信、裝備等領域開展了多輪次、全方位新興前瞻技術部署，取得了一系列突破性進展。中國科學院于2018年部署了戰略性先導科技專項（A類）“深海/深淵智能技術及海底原位科學實驗站”，提出構建以全海深固態儲能系統為儲能樞紐，以海洋能、微型核能、溫差能、金屬燃料電池等為發電系統，以深海智能裝備為用電系統的大容量模塊化全海深能源基站[13]。大幅提升水下作業時間和效率，從根本上解決了深海裝備的能源供給瓶頸。2022年，西北工業大學針對水下無人航行器和預置武器等水下裝備長時間工作對能源補給的需求，開展水下能源供給平臺電能供給技術研究，突破水下能源供給平臺系統集成與智能管控技術、高效波浪能發電技術、高效海流能發電技術、電能高效存儲及利用技術、非接觸式電能傳輸與控制技術、能源供給平臺樣機集成與測試技術，提出新型水下能源供給平臺系統設計方法，形成水下能源供給平臺設計能力，提升水下無人裝備在任務海域的存在、作業能力。水下能源供給平臺的研究歷史相對較短，不同國家和研究機構開展的研究也各具特色，其功能和特點也存在一定差異。在國內，對于水下能源供給平臺的研究相對較少，目前已有一些關于水下能源獲取、存儲、傳輸和管理等單項技術的研究基礎，但在水下能源供給平臺的系統集成技術方面還存在一定的欠缺。

水下能源供給平臺的研究需要綜合考慮多個方面的需求和挑戰。首先，需要考慮水下環境的特殊性，如高壓、低溫、水下能源獲取的困難等因素，以及對能源供給平臺的可靠性和安全性的要求。其次，還需要考慮水下裝備的能源需求的多樣性和靈活性，以滿足不同類型水下裝備的需求。在水下能源供給平臺的研究中，需要進行系統集成技術的開發，以實現水下能源獲取、存儲、傳輸和管理等功能的協調運作。這包括開發高效的能源獲取技術以及高能量密度的能源存儲技術。同時，還需要開發高效的能源傳輸技術，以確保能源能夠穩定地傳輸到水下裝備的位置。此外，還需要開發智能化的能源管理技術，以實現對能源供給的精確控制和優化管理。水下能源供給平臺的研究需要綜合考慮多個方面的需求和挑戰，并進行系統集成技術的開發。通過持續的研究和創新，我們可以不斷完善水下能源供給平臺的技術，提高水下裝備的能源供給效率和可靠性，為水下作業和探測提供更好的支持。

3 關鍵技術

目前水下能源供給能力尚無法滿足水下裝備的長時作業需求。為有效構建“發、儲、輸、用”全鏈條水下能源補給平臺，需要重點攻克海洋能源高效獲取與轉化技術、高能效水下無線充電技術、多端口集成能量變換器電能穩定傳輸技術等關鍵技術瓶頸。

1）基于分布式功率智能分配的能量管理技術

水下能源供給平臺包含多種類型端口，傳輸路徑的控制以及各變換單元之間配合都會影響到功率傳輸的穩定和效率，需要根據端口類型研究變換單元的控制策略，包括恒壓、恒流、恒功率配合限流、限壓、限功率等以及各模式之間的平滑切換方法，以適應端口工況的變化；配合能量管理系統，針對功率傳輸問題，以功率等級、效率最高、動穩態性能、電能質量等參數為目標、對變換單元統一協調控制策略進行研究。在水下能源供給平臺中，電氣接口（尤其是儲能接口）功率智能分配是實現可多能量節點之間實現供需平衡、穩定運行的關鍵技術。如何實現多個設備之間的協調和配合是必須要解決的關鍵問題。通過分布式功率智能分配將武器裝備和設施設備已有能量的使用效率發揮至極致，并可提高其可靠性、抗毀性。采用基于預測控制的分布式功率智能分配算法，結合功率傳輸技術，將源-荷約束條件、系統穩定約束條件、系統電能質量約束條件、功率平衡條件、效率優化目標、系統動態性能等作為智能算法的輸入和限制條件，通過分布式管理，進行全局優化。

圖2 集成能量變換器的分布式能量管理方法

2）海洋能源高效獲取與轉化技術

目前處于示范或運行階段的潮流能裝置主要針對的是高流速海域，而我國海流能資源流域面積大，普遍流速較低，多數區域在0.5 m/s～1.5 m/s之間，能量密度不高[14]。因此，低流速獲能是我國潮流能開發的關鍵技術問題，需要研究包含葉輪、導流機構和對流機構的一級洋流能捕獲裝置的流動和水動力特性和二級能量傳動結構的運行機理和傳輸過程。

受地理位置、水深地形和氣候氣象等因素影響，我國近海波浪的周期偏短且波高較小，能流密度偏低，具有明顯的寬譜特征，對波浪能俘獲提出了挑戰。而且波浪能裝置在非穩態流場下既受到流體的不穩定作用，同時自身捕獲波浪能并反作用于波浪，因此波浪能裝置多浮體在波浪中的運動是一個復雜的流固耦合問題。波浪能裝置的多浮體主要由兩部分組成，第一部分為吸波浮體，第二部分為平臺載體，吸波浮體為波浪能裝置的主要捕獲波浪載體，其外形對捕獲波浪至關重要；平臺載體為波浪能裝置主要承載結構，其外形對導浪聚波以及與吸波浮體發生相對運動至關重要。針對擬海域波況，基于勢流理論研究吸波體最優外形及多浮體運動耦合機理對平臺載體外形優化，提高波浪能裝置波浪特性下的捕獲效率，最終提高波浪能裝置波電轉換效率。

3）超高比能量密度電池技術

鋰電池由于其高能量密度、穩定的放電性能、良好的安全性等優點，成為水下裝備能源的首選。提升能量密度是鋰電池研發的主要目標，并且存在巨大挑戰。一方面，需要開發新型電極材料提高材料儲能的能量密度；電極材料是超高比能量密度電池的核心組成部分。通過設計合適的電極材料，可以提高電池的能儲存容量和能量密度。目前廣泛研究的電極材料包括鋰金屬、硅負極材料、硫正極材料等，針對不同的電池體系，需選擇適合的電極材料。另一方面，需要研究新型電解質，電解質是電池中通過離子傳導實現能量轉化的關鍵。目前的研究重點是發展室溫離子液體、聚合物電解質和固態電解質等新型電解質材料，以提高電解質的離子傳導性能和化學穩定性，實現更高的能量密度。另外，超高比能量密度電池技術需要對電池系統進行有效的集成與管理。包括電池模塊的設計、電池管理系統的優化和智能控制等方面。這些技術可以提高電池的安全性、穩定性和循環壽命，進一步提高電池的能量密度。通過在這些關鍵技術上的不斷研究和創新，可以實現電池能量密度的大幅提升，促進電池技術的發展和應用。

4）高能效水下無線充電技術

水下無線充電是一種非接觸式能量傳輸技術，通過電磁耦合實現高隱蔽可靠的能量傳輸，滿足水下裝備智能化、長潛伏與集群化的補給需求。由于海洋環境的特殊性使得水下無線電能傳輸技術還有較多問題需要深入研究。相對于空氣介質，海水介質的電磁物理參數大為不同。由于海水具有較大的電導率，導致海水中無線電能傳輸系統的傳輸效率降低，并且增加了系統的復雜程度，空氣中傳統互感模型不再適用。需要研究水下無線電能傳輸系統的跨介質傳輸機理，特別是建立海水中渦流損耗計算模型，得出影響電能傳輸損耗的各種因素，從而進行電磁耦合器布局優化設計與參數的合理匹配，進一步提高傳輸效率。另外，由于海洋環境復雜及海流擾動的影響，針對實際應用環境具有高維非線性、不確定性等復雜特性，需要解決水下無線電能傳輸過程的閉環控制問題，進一步提高水下裝備充電的智能化管控，實現高功率密度、強魯棒的無線能量傳輸。

圖3 水下無線充電系統示意圖

4 發展趨勢

水下裝備對能源供給有著高功率、長工作時間、良好的隱蔽性等要求。為了滿足這些需求，迫切需要創新水下能源供給模式，并建立一個強大的水下能源基站，實現能源的“發、儲、輸、用”。未來隨著在水下無線充電、海洋能轉換、能量管理等關鍵技術方面取得突破，可以預見水下能源供給平臺電能供給技術將向以下方向發展：

1）能源供給裝備集成化和智能化

隨著科技的不斷發展和水下作業的需求增加，單一的能源供給模塊已經無法滿足水下裝備復雜的能源需求[15]。將不同的能源供給模塊集成為一個整體的系統，可以更好地滿足水下作業的需求。集成化能源供給裝備可以實現能源獲取、存儲、傳輸和管理等功能進行協調運作，提高能源的利用效率和可靠性。通過集成化，可以實現能源的多能互補，從而提供更穩定、高效的能源供給。同時，集成化還可以減少能源供給裝備的體積和重量，提高能源供給裝備的靈活性和機動性。另外，在集成化的基礎上，通過引入智能控制和管理技術，可以實現對能源供給的精確控制和優化管理，提高能源的利用效率。同時，可以提供更高級的故障診斷和預測能力，提前發現和解決潛在的問題，提高系統的可靠性和穩定性。通過能源供給裝備集成化和智能化的發展，能夠提高水下作業的能源供給效率和可靠性，為水下作業和探測提供更好的支持。

2）水下能源補給類型多元化

海洋中潛藏著豐富的能源資源，未來隨著潮流能發電、波浪能發電、溫差熱能發電、生物質能發電等技術的逐步成熟，水下能源補給類型將由單一化向多元化拓展[16, 17]。考慮到水下裝備的應用工況，發展差異化的海洋能源轉化技術是至關重要的。通過不同類型能源的高效轉化，逐步形成多能互補、智能調控的能源綜合利用模式。這種多元化的能源補給模式不僅可以提高水下裝備的能源供應穩定性，還可以降低對儲能電池的依賴。同時，海洋能源的利用也有助于減少對傳統能源的依賴，推動可持續發展。

3）高能量密度和長壽命的儲能系統

水下裝備的續航能力受到其自帶儲能系統能量密度的限制，提高深水復雜工況下的能量密度、安全性和壽命是水下裝備儲能系統發展的關鍵因素。高能量密度和長壽命是水下儲能系統發展的重要趨勢[18]，隨著可再生能源的快速發展，需要能夠存儲大量能量的儲能系統來平衡能源供應和需求之間的差異。另外，水下儲能系統通常用于遠離陸地的海洋環境中，維護和修復成本較高。因此，長壽命的儲能系統可以減少維護頻率和成本，并提高系統的可靠性和穩定性。通過提高能源存儲能力、增加系統的可靠性和穩定性、降低儲能系統的成本，實現水下儲能系統的高效能量存儲。

4）基于無線充電技術的水下能源補給方式

目前水下裝備的能源補給方式主要有兩種，一是將裝備打撈上岸/水面艦船后通過電纜進行充電。然而，這種方式需要頻繁回收和布放，工作連貫性差，成本高且周期長。第二種方式則是利用濕插拔技術直接在水下進行充電。然而，這種插拔操作存在安裝難度大、操作困難以及接口易磨損等問題。基于水下無線充電技術的電能源補給具有許多優勢[19, 20]。首先，它具有隱蔽性高的特點，能夠在水下進行充電，無需將裝備打撈上岸或水面艦艇。其次，水下無線充電技術具有部署靈活的優勢，可以根據需要在不同位置進行提前部署并對水下裝備進行能源補給。因此，可以預見，基于水下無線充電技術的電能源補給將成為未來水下裝備主要的能源補給形式。這種技術的廣泛應用將極大地改善水下裝備的能源補給方式，提高工作效率，降低成本，并且能夠更好地滿足水下裝備的能源需求。

4 應用前景

未來水下能源補給的需求將顯著增加，需要積極開拓多種能源補給方式，以滿足不同水下裝備的能源補給需求。一是水下裝備自主尋的式電能補給，未來的水下裝備將能夠根據自身的能源需求以及周圍能源補給設施的部署情況，主動尋找并獲取所需的電能補給，使得水下裝備能夠更加靈活地獲取所需能源，減少對外部補給設施的依賴性。二是能源供給平臺感應式補給。隨著水下通信和檢測技術的不斷發展，未來的水下能源補給平臺將能夠實時監測區域內所有水下裝備的能源數據，根據歷史數據提前預測相應的補給需求，并為需要補給的水下裝備提供定制化的補給方案，主動提供所需的能源補給，感應式補給技術通過實時監測和數據分析，為水下裝備提供精準的能源補給規劃，確保其能夠持續穩定地運行。多種水下能源補給方式將極大地提高水下裝備的能源供給效率和可靠性。

水下能源補給的發展將依賴于先進的通信、感知技術的不斷突破。同時，也需要加強對水下能源補給平臺電能補給技術的深入研究，更好地理解水下能源供給的特點和挑戰。通過不斷創新和合作，為水下裝備提供更可靠、高效的能源補給方案。

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Current status and trends of electric energy supply technology development for underwater energy supply platforms

Zhang Huailiang

（Equipment Project Management Center of Naval Equipment Department, Beijing 101149, China）

TM612

A

1003-4862（2023）12-0015-05

2023-10-02

張懷亮(1972-)，男，高級工程師。研究方向：艦船電氣工程。E-mail:13910566421@139.com