面向自主水下航行器的LCC-S补偿网络鲁棒优化设计：实现高效稳定无线充电新方法

《IEEE Access》：A LCC-Series Compensation Network Optimization for Dipole Couplers in Autonomous Underwater Vehicles

本文针对自主水下航行器（AUV）在复杂水下环境中因湍流导致充电气隙变化、进而引起无线功率传输（WPT）系统输出电压和功率剧烈波动的问题，提出了一种用于偶极磁耦合器的LCC-S（电感-电容-电容-串联）谐振补偿网络多目标优化方法。该研究通过同时考虑多种耦合系数工况并引入加权多目标函数，在最大化效率的同时显著降低了输出电压和电流的偏差。实验验证表明，优化后的系统在气隙变化时能将实际输出电压稳定在0.9-1.05标幺值范围内，输出功率波动远小于现有方法，为AUV等移动设备的无线充电提供了高效、稳定的解决方案。

　　

在深邃的海洋中，自主水下航行器（AUV）如同水下侦察兵，承担着海底测绘、科学勘探乃至军事任务等重要使命。然而，这些智能水下装备的持续作业能力始终受制于有限的电池能量。传统的插拔式充电方式需要将AUV回收至母船或岸基平台，过程繁琐且效率低下，严重制约了其作业周期和范围。无线充电技术（WPT）的出现为AUV的能源补给带来了革命性希望，它允许AUV通过非接触方式在水下对接站进行充电，极大提升了自动化水平。

然而，理想很丰满，现实却很骨感。水下环境充满了不确定性，洋流、湍流极易导致AUV与充电基座之间产生位置偏差，使得无线充电系统的关键参数——磁耦合线圈间的气隙和耦合系数（k）——发生动态变化。这种变化就像一根不稳定的“电力输送管”，直接导致充电功率和输出电压的大幅波动，不仅影响充电效率，更可能对AUV的精密电池系统造成损害。因此，如何设计一个对耦合系数变化不敏感、即具有强鲁棒性的WPT系统，成为了AUV无线充电技术走向实用化的核心挑战。

目前，学术界在补偿网络拓扑方面已进行了诸多探索，其中LCC-S（Inductor-Capacitor-Capacitor-Series）谐振网络因其良好的软开关特性而备受关注。但现有设计方法多侧重于在单一、理想的耦合状态下追求最高效率，就像只优化汽车在平坦高速公路上的油耗，却忽略了其在崎岖山路上的动力稳定性。当实际水下气隙因湍流在数毫米至数十毫米之间变化时（耦合系数k随之在0.2至0.6范围内变动），传统方法设计的系统其输出电压和功率可能会产生超过40%的剧烈漂移，这显然无法满足AUV稳定充电的需求。

为了解决这一痛点，发表在《IEEE Access》上的这项研究独辟蹊径，提出了一种创新的多目标优化框架，专门用于设计应用于AUV偶极磁耦合器的LCC-S补偿网络。该研究的核心思想是让WPT系统“先天”就具备抗干扰能力，而非完全依赖后天的复杂控制电路来“打补丁”。

为了攻克这一难题，研究人员开展了一项融合了电磁学、功率电子学和优化理论的跨学科研究。他们首先采用有限元法（FEM）对专为AUV设计的偶极磁耦合器进行了精细的电磁特性分析，全面评估了其在不同气隙和错位情况下的自感、互感、耦合系数以及核心损耗，为后续电路优化提供了精确的模型参数。在此基础上，研究团队构建了LCC-S补偿网络的等效电路模型，并推导出其电压增益、电流增益和系统效率的关键公式。研究的最大创新点在于构建了一个新颖的多目标优化问题（OF），其目标函数同时追求系统效率（η）最大化、输出电压增益（G_V）偏差最小化以及输出电流增益（G_I）偏差最小化。该优化框架创造性地将多个耦合系数场景（对应不同气隙）同时纳入考量，并引入了场景加权因子，特别强化系统在弱耦合（大气隙）工况下的性能。研究人员采用GAMS软件中的BARON求解器对这一非线性优化问题进行求解，确定了LCC-S网络中最优的无源元件（L₁, C_P1, C_S1, C_S2）参数。最后，通过PLECS软件进行详细的电路仿真和实验室原型实验，全面验证了优化设计的优越性能。

本研究主要采用了以下关键技术方法：1) 利用有限元法（FEM）对偶极磁耦合器进行三维电磁建模与参数提取；2) 建立LCC-S补偿网络的等效电路模型并推导其传输特性解析式；3) 构建集成效率、电压增益和电流增益的多目标优化函数，并采用GAMS软件进行求解；4) 通过PLECS仿真和实验室原型机对优化结果进行验证。

设计与分析偶极磁耦合器

研究人员为AUV选用了 circumferential coupled dipole-coil magnetic coupler（偶极磁耦合器）。该耦合器由N87铁氧体磁芯和绕组构成，具有结构紧凑、易于在AUV有限空间内集成的优点。通过ANSYS Maxwell进行三维有限元分析，系统研究了该耦合器在不同气隙（如20mm）以及存在水平（沿x轴）、垂直（沿y轴）错位（如30mm）情况下的磁场分布（磁通密度、磁场强度）、自感（L₁₁, L₂₂）、互感（M）、耦合系数（k）以及磁芯损耗。分析表明，海水环境会导致耦合系数轻微下降（约4-6%），等效电阻略有增加（约3-5%）。这些精确提取的参数为后续电路优化提供了关键输入。

所提出的LCC-S补偿网络优化

本节详细阐述了创新的优化方法。与以往只追求单一最大效率的目标不同，本研究定义了一个综合目标函数（OF）：OF(x) = min{ w_η·OF_Efficiency^Total + w_V·OF_{Gain_voltage^Total + wI·OFGain_Current^Total }，其中x = {L1, CP1, CS1, CS2}。三个子目标分别对应效率损失（1-ηi）、电压增益偏差（GV_Desired - GVⁱ）和电流增益偏差（GI_Desired - GIⁱ）。优化过程还引入了耦合场景权重αi（倾向于弱耦合工况）以及权衡最坏情况与平均性能的参数βV和βI。优化在满足元件值 practical 约束（如0.5μH ≤ L1 ≤ 5 mH）下进行，最终获得了最优的LCC-S网络参数（例如L1 = 40 μH, CP1 = 37 nF, CS1 = 40 nF, CS2 = 17 nF，工作频率~200 kHz）。}

仿真结果

为验证优化效果，研究团队在PLECS仿真环境中对比了所提方法与传统方法[27, 28]的性能。仿真条件设置为输入电压36V，期望输出36V/32.4W，负载电阻40Ω，耦合系数k在0.2至0.6之间变化以模拟气隙变化。结果表明，当k从0.2变化到0.6时，所提方法能将输出电压稳定在32.65V至38.3V之间（偏差<±9%），输出功率波动范围为25.6W至36.6W（偏差<±20%），平均效率保持在89.13%左右。相比之下，两种现有方法[27, 28]的输出电压变化范围分别高达19.95-58V和21.16-45.1V，输出功率波动也剧烈得多。这充分证明了所提优化方法在维持输出稳定性方面的巨大优势。

实验结果

实验搭建了完整的WPT系统原型，包括全桥逆变器（MOSFETs: IRF540NPBF）、优化后的LCC-S补偿网络、偶极磁耦合器以及全桥整流器（Diodes: D1065C6）。实验测量了在8mm、20mm和40mm不同气隙（对应耦合系数变化）下的系统输出。实验结果与仿真高度吻合：在8mm、20mm、40mm气隙下，输出电压分别约为35.8V、38.6V、32.3V，波动很小，直观地证实了所设计系统对气隙变化的强鲁棒性。

本研究成功开发并验证了一种针对AUV水下无线充电应用的LCC-S补偿网络多目标优化设计方法。该方法的显著优势在于，通过将多耦合系数场景和加权多目标（效率、电压稳定性、电流稳定性）直接集成到优化框架中，使得最终确定的补偿网络参数能够“内在地”应对耦合变化，无需依赖额外的复杂控制回路，即可实现高效率（平均约89%）和高输出稳定性（电压偏差<±9%）的统一。与现有方法相比，该方法将输出电压波动从超过40%大幅降低至9%以内，显著提升了下无线充电系统的可靠性和实用性。

这项研究的深远意义在于，它证明了通过精巧的电路层优化设计，可以使WPT系统本身具备强大的鲁棒性，为在动态、不确定的水下乃至其他复杂环境（如电动汽车无线充电）中实现稳定、高效的能量传输提供了新的设计范式和技术路径。未来，该优化框架可与动态控制策略进一步结合，或扩展至其他补偿拓扑，有望推动无线充电技术在更广阔领域的应用。