《Sustainability》：Electric Propulsion for Unmanned Underwater Vehicles: Motor Design, Energy and Thermal Management, Control, and Charging
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无人水下航行器（UUVs）被用于海洋研究、水下勘探以及军事应用。UUVs所处的水下环境对其电力推进系统的设计提出了独特的设计约束。此类设计必须围绕高转矩生成、延长任务持续时间以及维持最佳温度来展开。本文综述了围绕UUV设计解决这些参数的研究进展。本文提出了围绕
无人水下航行器（UUVs）被用于海洋研究、水下勘探以及军事应用。UUVs所处的水下环境对其电力推进系统的设计提出了独特的设计约束。此类设计必须围绕高转矩生成、延长任务持续时间以及维持最佳温度来展开。本文综述了围绕UUV设计解决这些参数的研究进展。本文提出了围绕环境约束的电机设计、能量管理、热管理、控制系统和充电基础设施等概念，并贯穿采用可持续性视角，以突出可能被忽视的影响。本文在每一领域均识别出研究空白，包括对仅依赖仿真验证的依赖、横向磁通电机缺乏冷却研究，以及部署期间可再生能源充电的有限研究。迄今为止，尚无以如此广泛的范围综述UUV电力推进，同时兼顾所涉内容的环境影响与可持续性的综述论文。从本文信息来看，UUV电力推进研究往往仅在单一技术维度上推进高性能和高效能设计，而可持续性方面也同时被推进。
论文主体内容总结
2. 电机设计
UUV推进系统通常倾向于采用电动机而非内燃机，因其低噪声和低振动水平可降低水下辐射噪声。电力推进系统通常使用低速高转矩电机来驱动水下螺旋桨，不仅需要高转矩，还需要高启动转矩。
2.1. 无刷直流电机应用
无刷直流电机（BLDC）比有刷直流电机更受青睐，因其采用电子换向而非机械换向，消除了电刷和换向器的磨损及摩擦损耗。BLDC电机具有更快的动态响应、更高的精度、更易的转矩和速度控制、更高的效率以及更好的热相关特性。研究还表明BLDC电机在水下应用中维护需求更低，且易于在UUV有限的空间约束内实现。有研究设计了用于200 kg UUV的BLDC电机，功率7.2 kW、电压72 V、电流80–120 A，可运行20分钟航行15 km。另有研究通过MATLAB仿真验证了BLDC电机的高启动转矩特性。对转螺旋桨配置方面，有研究提出了对转双转子盘式永磁电机（DDPM），采用同一轴上的一组定子和两个对转转子驱动两组桨叶，设计参数为额定转速1000 rpm、额定电流密度6 A/mm2、外径316 mm。分析表明6极电机优于4极和8极方案，在两组定子之间使用非磁性材料可减少交叉耦合效应。此外，还提出了对转轴向磁通混合励磁永磁电机（CR-AFHEPMM），通过新型直流励磁电路调节转子间的磁场差，以应对对转螺旋桨的不平衡负载。
2.2. 永磁同步电机应用
永磁同步电机（PMSM）同样是UUV电力推进的典型选择，具有无刷特性、高功率密度和高效率范围。有研究设计了50 kW UUV PMSM，通过有限元分析（FEA）验证产生50.28 kW电磁功率，效率91.2%，转矩脉动仅0.6%。PMSM可按磁通回路方向分为径向磁通和轴向磁通两类。轴向磁通变体在定子和转子之间具有更大的表面积，提供更广的磁通密度范围，单位重量功率密度更高。Halbach阵列永磁体可产生磁聚焦效应进一步提升功率密度。有研究提出了双PMSM配置以满足更高功率需求。开绕组电机系统具有高输出功率、灵活控制、强冗余和容错能力，优于传统星形连接PMSM。有研究设计了390 kW额定功率、340 rpm、700 V的开绕组PMSM，并设计了滤波电路抑制零序电流。磁齿轮PMSM（MG-PMSM）通过磁力齿轮实现无物理接触的动力传递，避免了机械齿轮的磨损、噪声和维护问题。优化后的MG-PMSM设计参数为11 kW输出功率、极片转子低于1400 rpm、永磁转子8375 rpm，其单位体积功率更高但效率略低。长期来看，PMSM依赖稀土永磁体带来可持续性问题，稀土开采对环境造成负面影响，回收率极低。铁氧体永磁体是更低成本和更可持续的选择，但转矩输出和能量密度显著较低。
2.3. 横向磁通电机应用
横向磁通电机（TFM）具有高转矩和低速特性，其与PMSM的主要区别在于电气和磁负载解耦，从而获得更高的转矩密度。TFM的另一个优势是增加转矩不需要物理尺寸成比例增加，具有更好的转矩重量比。TFM存在内转子和外转子两种配置。有研究基于运行速度1.54 m/s、推力152 N、输入功率低于3 kW的参数设计了两种配置：内转子TFM在较低运行速度下具有更高转矩，而外转子TFM具有更低的电阻损耗，整体效率显著更高。FEA验证了这些特性，但考虑损耗后转矩值有所降低。两种TFM设计相比作者之前带永磁体的交流设计仍具有更高的转矩密度能力。
3. 电机控制系统
3.1. 磁场定向控制（FOC）/矢量控制及霍尔传感器
磁场定向控制（FOC）又称矢量控制，通过Clarke和Park数学变换将转矩和磁通解耦并分别处理，配合PID控制器使转子磁场和定子磁场保持正交，从而最大化转矩产生。仿真发现带FOC的PID控制器比传统梯形控制在处理实时速度变化时更高效。BLDC电机和PMSM均可使用FOC。霍尔传感器也用于对转BLDC电机，帮助维持两个电机之间的平衡转矩输出。
3.2. 无传感器电机控制
FOC依赖传感器获取转子位置和速度数据，这增加了体积需求，而UUV有严格的体积限制。霍尔传感器虽满足体积要求，但在高速运行时存在噪声导致的精度问题，且仅适合稳定速度，低速时速度计算耗时较长。最优策略似乎是结合不同控制方法，根据UUV速度选用理想方案。反电动势预测算法依赖模型预测控制（MPC），MPC使用动态数学模型预测未来系统变化并进行滚动优化，已显示可减少转矩脉动并补偿传感器限制。常用的是有限控制集MPC。锁相环（PLL）估计器是另一种从反电动势提取位置信号的无传感器方法，更适合低速。脉振高频电压注入（PSHF）方法向PMSM特定轴注入电压，从高频响应电流中获取转子位置信息，比旋转高频电压注入（RTHF）更优。
3.3. 其他冗余控制策略
双电机配置需要优化转矩分配以提高系统效率。有研究采用主从电机策略，第一个PMSM为主电机，第二个为从电机，根据负载大小分配功率。实验表明该效率控制策略在轻载和低速条件下优于均等分配转矩需求。另有研究提出整个控制系统的混合冗余结构配置，当自监测机制检测到电机或其他组件故障时，控制系统可重新配置以补偿和恢复。如果两台计算机的输出差异超出可接受范围，自监测机制将决定执行正确输出。
4. 电机冷却和电池组维护的热管理策略
电机的大部分效率损失转化为需要处理的热量。总损耗包括绕组铜损、铁芯损耗、永磁体涡流损耗和机械损耗。UUV严格的空间限制导致环境容易升温，尤其是PMSM具有高发热率。若电机冷却不当，会缩短绝缘材料寿命、降低电机效率，最严重时甚至导致永磁体退磁。有研究认为水下环境中的强制水冷足以自然冷却特定电机设计，但也有研究指出PMSM水冷系统往往复杂且难以冷却转子磁体。
4.1. 水冷
轴向磁通PMSM设计了环绕定子的水冷结构，利用自然水压使循环水流动。瞬态分析表明电机运行期间温度保持在可接受范围内。更复杂的双通道水冷系统采用螺旋路径，水流经内通道冷却电机后进入外通道将热量耗散到海水中。优化后电机最高温度降至58.31 °C，流损降至59.58 kPa。水下环境中水冷系统无需密封和容纳冷却液，可节省空间或增加冷却液流量。有研究引入仿生鲨鱼鳍结构，利用UUV航行产生的流体动力压降来促进水流，替代水泵。
4.2. 油冷
油冷设计在电机上设置进油口和出油口，电机迫使油循环冷却整个电机。每个定子槽的齿根外侧设有间隙供油流过冷却，部分冷却油在定子和转子之间流动以防止热量从定子传递到转子。仿真证明油冷电机可提供更低的绕组温度以保障安全运行。另一种油冷设计仅将PMSM部分浸入油腔，电机旋转时油应均匀冷却电机，油中热能通过对流传递给海水。冷却效率取决于UUV速度，速度增加会提高效率。
4.3. 相变传热（蒸发）冷却
相变传热冷却系统将BLDC电机定子浸没在冷却液中。电机升温后冷却液达到足够高的温度变为气态，从定子上升到电机外壳，气态冷却液中的热量传递给电机外部的水，气体冷却回液态进入下一个冷却循环。该方法的优势是被动冷却，无需额外能量驱动，且可靠性高。由于定子和转子之间的间隙需增大以提供冷却液流动空间，电机功率会降低，因此需要优化永磁体材料和厚度等设计选择来补偿。实验结果表明相变传热冷却在相同条件下优于水和油冷却。
4.4. 电池热保护策略
水下环境温度约2–4 °C，锂电池的等效串联电阻增加且容量退化，电池功率损耗随温度降低呈指数增长。提出的热管理系统由包裹电池组的加热垫和监测温度的热敏电阻组成，热敏电阻连接Arduino微控制器，在必要时开启加热垫。系统由电池组自身供电，无需外部电源。另一种更可持续的方法是利用电机产生的废热加热电池组，通过热管将热量从电机传递到电池组，实验表明电机可降温约9 °C同时将电池组升温约3 °C。锂电池的最佳温度范围为15至35 °C，高于35 °C性能明显下降。油浸电池组可辅助散热，与空气冷却相比最大温度低22 °C。金属泡沫/石蜡复合相变材料（PCM）也被用于电池组冷却，其轻质且导热性好，被视为最适合UUV应用的复合PCM。
5. 能量管理策略和电源
能量被视为UUV设计中更具限制性的资源，电源需要高能量密度。有研究设计了燃料电池与氢氧分离存储系统，需承受1000 m水深的压力，并考虑密度和浮力因素。评估后，燃料电池和锂电池的混合配置是最现实的系统。
5.1. 燃料电池和电池混合系统
燃料电池和电池的混合组合已成为UUV能量和功率需求的常见选择。燃料电池具有高效率、低噪声和环境友好的特点，但存在时间滞后，不适合快速变化或大幅功率波动。电池具有快速动态响应优势，但能量密度低。混合系统中燃料电池作为主要能源，电池作为辅助能源，可减小能源系统尺寸并提高系统效率。优化使用两种能源需根据情况和电池荷电状态（SOC）设计控制系统。常见能量管理策略包括模糊逻辑控制器，以所需负载和荷电状态为输入，功率分配系数为唯一输出。水下压力是电池设计的重要考虑因素，采用活塞补偿压力的方法使外壳充满油，外部压力施加时均匀压缩，压力降低时活塞逐渐伸出直至达到压力平衡，该方法允许更深的作业深度。氢燃料电池是可持续的发电替代方案，具有近零排放和高能量转换率，但从全生命周期评估来看，氢气的来源和生产方法仍会产生环境影响，目前氢气生产仍严重依赖化石燃料。电池在使用期间排放低，但生产过程中产生大量温室气体，电池中锂、镍等金属若处理不当也存在环境风险。
5.2. 替代可再生能源推进方法
太阳能仅适用于小型滑翔机类UUV应用，通常称为无人水面艇（USV），太阳能用于给锂电池充电。阳光随水深快速衰减且受时间限制，太阳能应用仍限于USV。UUV容易发生生物污损，太阳能板上的生物污损会显著降低效率，防污涂层是应对方法之一。海洋热能是另一种可再生能源，从海洋温差提取能量不需要浮出水面且更稳定。热电发电机和相变材料（PCM）可将热能转换为电能，但效率低（约2.5–5%）且材料成本高。PCM应用有两种典型方式：浮力调节和电能存储。基于PCM的UUV已进行3000 km任务试验，但仅产生2.2 Wh能量，不足以满足深海需求。波浪能是最高度有利的可再生能源选项，具有高能量和功率密度及高可持续性。水翼在水下航行器中的使用可从水翼间的相对运动获取波浪能。实验表明波高0.2 m、波周期1.2 s时捕获功率约2.4 W，另有设计平均效率45.35%，最大瞬时功率67.74 W。波浪条件变化和低能量转换效率限制了波浪能的可行性。近期研究将多种可再生能源结合以在运行期间为UUV补充能量，太阳能和风能组合的USV设计长度1.2 m，最大深度60 m。双模态UUV设计在表面导航时利用风能，水下导航模式改变航行器形状以控制排水量和净浮力。自供电水下航行器（SPUV）概念在50 m以上深度从太阳能获取能量，在更深至1000 m滑翔时从海面与深海之间的温差热能以及压力势能获取能量。太阳能、风能和波浪能三源系统在海试中显示可由可再生能源单独供电导航八小时，但这些系统在恶劣海况下尚不够耐久。
6. 充电基础设施
传统UUV实施需要水上充电、运输到现场和使用起重机部署，该循环受天气和时间限制，对船员和航行器本身都有危险。水下充电系统可大致分为移动平台或固定海底基础设施。耦合器是系统输出的关键部分，感应电能传输（IPT）和无线电能传输（WPT）等机制中的耦合器消除了水面作业的资源密集型过程，相比水面回收系统提高了系统效率。
6.1. 固定海底基础设施
最常见的UUV充电形式是物理电池更换和手动有线充电，这严重降低运行效率。固定对接系统依靠固定海底基础设施作为无线充电热点，嵌入WPT实现全自动充电。提出的全自动漏斗型对接序列包括四个步骤：自动导航、声学引导、机械引导和位置锁定。UUV配备内部导航传感器行驶到对接平台大致方向，在1 km内使用声源校正导航漂移，10 m内四个光学灯引导航行器进入对接锥，最后位置锁定机构压下UUV形成重型夹具，消除洋流引起的气隙并防止能量传输期间移动，然后才安全启动WPT。水下无线电能传输（UWPT）通过感应耦合工作，发射线圈产生高频磁场穿透水并在接收线圈中感应电流。为减少涡流引起的能量损失，系统必须使用铁氧体磁芯和屏蔽来引导磁场并调谐谐振损耗。深海极端压力和温度会略微改变发射线圈的特性。有研究引入了由铁基纳米晶合金制成的弧形耦合机构，替代通常沉重且脆的锰锌铁氧体，不仅减轻了接收器重量，还实现了3 kW功率传输和93.88%的AC-DC效率。另一研究提出了鼠笼式磁耦合器，采用周向柱状绕组，在随机旋转和轴向偏移期间保持磁通路径恒定。实际演示中该自动化站输送1.2 kW直流功率，DC-DC系统效率90%，在[?30°, 30°]旋转偏移和[?30 mm, 30 mm]轴向偏移范围内保持稳定均匀的功率传输。IPT方法需考虑海水中涡流损耗，系统效率可用输出功率、涡流损耗、MOSFET开关损耗和导通损耗、整流桥损耗及电感线路损耗来描述。虽然较高频率提高谐振效率，但涡流和MOSFET开关损耗随频率快速增加，因此系统效率随频率先升后降。考虑涡流后最佳频率从45 kHz移至40 kHz，最终设计在35 kHz实现90%的IPT效率，成功输送680 W充电功率。感应耦合WPT被视为UUV非接触充电的最佳选择。100 kHz以上频率会增加导电海水中的涡流功率耗散，35至85 kHz的中频范围是海底无线充电的最优选择。海底充电站可由太阳能供电实现清洁可持续的充电方式。海底充电基础设施和电气工程可能产生环境影响：水下电缆扰动海底沉积物，电解产物如氯和溴影响水质，电磁场（EMFs）引起许多水下动物的生物反应，电流产生的热量显著加热周围水域。
6.2. 移动充电站
移动充电设计中，功率来自柴油发电机，通过感应线圈以高压低电流交流传输。接收的交流信号通过输入变压器隔离，经全桥整流器转换为直流。PSoC 5LP微控制器实现积分（I）/PID控制回路，动态调整占空比以输送10 A直流充电电流，500 W功率无超调。有研究开发了名为ROUGHIE2的水下滑翔机（UG）作为充电载体，可下潜至1000 m，具有1.5 kWh至15 kWh的有效载荷充电容量。夹紧通过磁铁实现，提供650 N夹紧力，无需外部运动部件，避免了生物污损问题。WPT通过感应系统实现，在0–7 mm间隙内输送50 W功率，效率80%。另一研究解决了移动充电器的路由和会合问题，使用USV自主导航到UUV运行路径上的会合位置，将动态洋流和障碍物建模为向量以计算真实能量成本，将其表述为广义旅行商问题。实地模拟实验显示100%任务成功率，节省系统总能量10–16%。波浪能转换器（WEC）可作为自主充电的能源，TigerRay WEC通过随海浪上下移动发电，充电平台悬挂在水下约20 m处，通过电缆连接WEC，峰值功率输出202.44 W，电池容量300 Wh。总体而言，功率输出最高和AC-DC效率领先的充电系统是利用铁基纳米晶耦合器的固定海底基础设施。固定对接系统在充电期间提供更可靠的定位，充电效率更高，适合永久性水下装置和固定作业区域内的长期任务。移动充电系统提供更大的运行灵活性，直接航行到UUV处，无需航行器返回固定充电站，适合频繁改变位置的UUV，但可能因对接和定位挑战而充电效率较低。
