高功率密度集成式水下智能传感器无线能量传输方法

《Wireless Power Transfer》：High power density integrated wireless power transfer method for underwater intelligent sensors

　　

研究人员提出了一种面向水下智能传感器的高功率密度集成式海底无线能量传输（Underwater Wireless Power Transfer, UWPT）系统，该系统具备抗偏移能力和电磁屏蔽兼容性。首先，为UWPT系统设计的高频逆变器集成了辅助电源、控制电路、驱动组件和半导体开关器件。通过采用零电压开关（Zero-Voltage Switching, ZVS）技术以最小化高频开关损耗，该设计实现了更紧凑的结构和更高的可靠性。其次，为实现高传输效率，研究人员基于所提拓扑建立了一个非线性整流桥负载等效模型，揭示了整流二极管压降影响负载转换的机理，并定量分析了系统效率随负载的变化情况。该分析有助于减少确定最优负载时的计算误差。此外，采用铁氧体磁芯提高了耦合系数，并降低了由电路中高频交变磁场泄漏引起的涡流损耗。最后，研究人员搭建了一个100 W原型样机，开关频率为500 kHz，以验证所提设计。实验结果表明，该UWPT系统在空气和盐水环境中均表现出强鲁棒性，在空气中的最高效率为91.4%，在盐水中为89.6%。

**论文解读：高功率密度集成式水下无线能量传输方法**

**一、研究背景与问题**

水下观测网络作为地球第三大观测平台，集成了压力计、地震检波器、温度传感器、叶绿素传感器、自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle, AUV）等多种智能传感器与设备，对海洋科学、生态研究、国家安全及自然灾害预防具有重要意义。然而，为这些水下智能传感器提供长期稳定可靠的供电是维持其运行的关键挑战。现有电池供电方式存在成本高、需回收设备、电解质泄漏污染环境等问题；电缆连接方式则限制传感器部署灵活性，且易受生物污损和洋流扰动影响。为解决上述问题，研究人员提出利用水下移动设备（如AUV）作为发射端，通过水下无线能量传输（Undersea Wireless Power Transfer, UWPT）系统为非接触式传感器供电，从而减少电池容量与尺寸，并消除电缆磨损及密封难题。

目前，UWPT主要采用磁耦合谐振方式，因其高传输效率和稳定性能成为主流。然而，海水的高电导率会引发涡流损耗，而洋流导致的线圈相对位移会使耦合系数发生变化，严重降低系统传输性能。现有研究在优化控制策略（如脉宽调制、闭环控制）和系统建模方面取得了进展，但大多仅考虑补偿网络的最优负载，忽略了整流器损耗对最优负载的影响，导致理论模型与实测效率特性存在偏差。此外，如何在有限空间内实现高功率密度集成、抑制电磁干扰并保持抗偏移能力，仍是亟待解决的技术难题。本文以实际应用为导向，设计了一种高功率密度集成式UWPT系统，旨在提升能量传输效率、简化结构并增强环境适应性。

**二、主要关键技术方法**

研究人员采用了以下关键技术方法（均基于原文，无具体试剂或质粒操作）：
1. **零电压开关（Zero-Voltage Switching, ZVS）技术**：在高频逆变器中实现，通过电感偏置电路设计自适应补偿海水介质引起的频率偏移，降低开关损耗。
2. **非线性整流桥负载等效模型**：基于S-S补偿拓扑建立，考虑整流二极管导通压降（U_d）对等效阻抗（R_eq）的影响，推导最优负载表达式（R_L与互感M、寄生电阻R_P、R_S等的函数关系）。
3. **耦合机构优化设计**：采用圆形线圈（外径55 mm），通过COMSOL仿真分析确定9匝结构（内径约为外径50%），并附加铁氧体磁芯（PC 95材料，锰锌铁氧体）以提升耦合系数至0.45、抑制90%磁通泄漏。
4. **实验验证**：在空气和35‰盐度盐水环境中搭建100 W原型样机（开关频率500 kHz），使用电子负载模拟传感器负载，采用第三代宽禁带半导体氮化镓（GaN）器件实现高频功率转换。

**三、研究结果**

**3.1 Theoretical analysis（理论分析）**
- **电路输出特性分析**：基于S-S谐振补偿网络，推导了UWPT系统的输入阻抗（Z_in）、输入/输出功率（P_in/P_out）及传输效率（η）表达式，得到最大效率点对应的最优负载（R_opt）公式（R_opt = ω²M²/(R_SR_P) + R_S²）。效率随负载和频率变化曲线表明：负载过小或过大均导致效率下降；频率升高初期效率快速上升，但后续介质损耗和涡流损耗使效率趋于平缓。同时指出，忽略整流器损耗会导致最优负载点计算误差，且全谐振网络难以实现ZVS，产生较大开关损耗。
- **非线性整流桥负载分析**：建立了整流桥导通时的等效电路模型，考虑二极管导通压降（U_d），推导出等效阻抗R_eq表达式（R_eq = (4√2U_d)/(πI_o) + (8/π²)R_L），并通过仿真曲线（图7）证明U_d使R_eq呈现非线性，忽略U_d会导致纯电阻近似，从而影响最优负载计算的准确性。
- **耦合机构参数设计**：通过COMSOL仿真比较线圈匝数（4、8、10、12）对自感、互感和耦合系数的影响，发现随匝数增加，自感和互感持续增大，但耦合系数先快速上升后饱和，且寄生电阻增加。最终选择9匝（内径与外径比约50%）以平衡耦合效率与损耗。进一步对比有无铁氧体磁芯的磁场分布：无磁芯时磁场泄漏显著，在盐水中引发强涡流效应；有磁芯时形成磁屏蔽路径，减少底部磁场扩散，降低涡流损耗和电磁干扰。

**3.2 Experimental validation（实验验证）**
- **实验参数设计**：基于R_opt代入前述R_eq表达式，推导实际最优负载R_L的计算公式（R_L = [(ω²M²/(R_SR_P) + R_S² - (4√2U_d)/(πI_o)] · (π²/8)），并给出电路参数（V_in=60V, P_out=100W, f=500kHz, C_p=5.06nF等）。
- **实验结果**：
- **高频逆变器波形**：示波器显示，在驱动电压V_gs上升前，漏源电压V_ds已降至0V，证实ZVS实现，避免开关损耗。
- **电压电流波形**：发射侧和接收侧电压电流同相位，验证零相位角（Zero Phase Angle, ZPA）传输，证明参数设计正确。
- **抗偏移能力**：当线圈相对偏移10 mm和20 mm时，系统仍维持谐振，输出稳定，最大偏移20 mm下未发生功率中断。
- **恒流输出特性**：负载从40 Ω突降至20 Ω时，输出功率从106 W切换至52 W，响应快速，无显著电压/电流尖峰，避免器件损坏。
- **效率测试**：空气环境中效率约91.4%；在35‰盐度盐水环境中，由于海水电导率较高导致部分能量转化为热损耗，效率下降约2%，达到89.6%。
- **性能对比**：与现有文献[24]–[27]对比，本研究耦合机构平面尺寸最小（直径55 mm），功率密度最高（2.1 W/cm²），且在空气和海水中的效率均具有竞争力。

**四、总结与讨论**

本文提出了一种用于水下智能传感器的高功率密度集成式海底无线能量传输（UWPT）系统。紧凑模块化设计将高频逆变器、控制电路等组件集成于小尺寸中，适用于空间受限的水下设备。通过利用AUV作为发射端，系统可为海底传感器和中继器供电，提升海洋观测网络的部署灵活性与自主性。100 W原型样机验证了关键技术：ZVS在中低功率下最小化损耗；非线性整流负载建模改善最优负载预测；线圈几何优化以耐受洋流扰动；铁氧体磁芯抑制泄漏场，增强耦合效率并减少干扰。实验结果表明，系统在空气中效率达91.4%，盐水环境中达89.6%，证实了其为先进水下传感与监测基础设施提供可靠、灵活供电的潜力。论文发表在《Wireless Power Transfer》。