哈尔滨工业大学王得安、张剑韬 等：海洋环境对水下无线电能传输系统的影响机理研究进展

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面对日渐紧张的国际局势以及世界各国对广袤海洋资源的深入探索，以潜航器为代表的水下无人设备已成为现代陆-海-空-天能量网、信息网和观测网的重要组成节点。无线电能传输技术的飞速发展为水下无人设备的能源供给问题和续航里程焦虑提供了全新的解决方案。然而，复杂的深海海洋环境对水下无线电能传输技术到底有何影响呢？

研究背景

水下无线电能传输技术因其能够以非电气接触的形式在海域中实现能源供给，为解决水下无人设备的传统拔插式充电方式所存在的安全性差、寿命低、维护困难等问题提供了一种可行途径。然而，水下无线电能传输系统因复杂的海洋环境使其相比于以电动汽车为代表的典型陆基无线电能传输面临更多的挑战。

图1 水下无人潜航器的无线电能传输和能源供应网络

目前针对以潜航器为代表的水下无人装备的磁耦合谐振式无线充电配套技术已经得到了较为充分原理技术论证，但鲜有研究针对深海环境及海水介质对无线电能传输技术的影响展开详细的分析和评估。事实上，探寻海洋环境对水下无线电能传输技术的影响是实现其设计优化乃至实际工程化应用的重要先决条件。

论文所解决的问题及意义

海洋环境和海水介质的特殊性决定了水下无线充电系统在电气参数设计、控制方法及工程应用中所存在的潜在差异性。

本文围绕海水介质对无线电能传输系统的影响机理研究展开了详细的综述，针对海洋环境和海水介质存在的附加涡流损耗、极间分布电容、深海压磁效应、海底洋流扰动等典型影响因素的研究进展进行了细致分析，对目前无线电能传输技术在水下无人装备应用存在的潜在问题和挑战进行充分说明，最后对水下无线电能传输系统未来值得关注的研究方向进行展望。

图2 海水介质对无线电能传输系统的影响机理

论文方法及创新点

1、海水介质和海洋环境影响机理

• 海水介质附加电涡流损耗影响

• 极间分布电容影响

• 深海压磁效应影响

• 海底洋流扰动影响

• 温度及微生物附着影响

图3 海水介质中附加涡流损耗建模

图4 海水介质中极间分布电容示意图

2、UWPT系统参数校正及能效优化设计方法

• 系统统工作频率寻优

• 拓扑模型校正

• 抗偏移磁耦合机构设计

• 系统动态跟踪调谐

• 系统控制策略

• 水下环境实时通信

图5 典型的曲面型UUV-UWPT磁耦合机构

图6 UWPT弱通讯条件下的闭环控制逻辑

3、亟待解决的问题

• 水下弱通讯/无通讯条件下的可靠控制

• UWPT系统的容错及可靠性研究

• 水下无线充电相关行业标准

• 水下电气及机械互操作性

• 集群式水下作业和无线充电系统

结论

水下无线电能传输技术因其安全、便捷、隐蔽、适用于无人作业等特点在近年来得到了飞速发展，被认为是解决当前无人水下装备能量补给和航程焦虑问题的有效途径之一。本文针对海洋环境对水下无线电能传输系统影响机理研究进展展开了全面综述，讨论了海水介质附加电涡流损耗、极间分布电容、深海压磁效应、海底洋流扰动等因素对水下无 线电能传输系统的影响规律。

从系统工作频率寻优、拓扑模型校正、抗偏移磁耦合机构设计、系统动态跟踪调谐、系统控制策略以及水下环境实时通信六个方面阐述了系统参数校正和能效优化方法，为解决海洋环境下的无线电能传输现存问题提供了有效的解决思路。

文章总结了现阶段水下无线电能传输技术亟待解决的问题并探讨了技术的未来发展趋势和研究重点，为水下无线电能传输技术从原理样机到工程产品的发展提供了新的研究思路，为行业技术标准的制定提供了方向参考。

随着无人潜航器从传统燃料电池向锂电池的转变，水下无线电能传输作为一种新型的自主能源充电方式，将进一步提高无人水下设备的机动性和续航能力。水下无线电能传输技术的发展将成为进一步探索海洋的推进器，并将成为未来海洋能源网络布局中的重要环节，推进未来海洋能源网、观测网、信息网络建设和陆-海-空-天互联互通。

团队介绍

哈工大电磁与电子技术研究所 (原电动车研究所)

电动汽车实验室

无线充电技术实验室

哈尔滨工业大学电动汽车团队依托于新能源车辆先进动力与能源黑龙江省重点实验室、电驱动与电推进技术教育部重点实验室、国家精密微特电机系统工程技术研究中心（共建），具备完善的实验环境、丰富的实验设备和大量的科研人才，致力于电动汽车电驱系统、无线充电技术、全电飞机驱动电机、惯性储能脉冲电源、微特电机及其控制等多领域技术研究。

研究团队承担多项国家自然科学基金项目、国家九五、十五、十一五、十二五、十三五、十四五项目、863项目以及省部委的科技攻关计划、国防科工委、军委科技委、总装备部、企业横向合作、国际合作等研究项目。在涵盖不同功率等级与应用场合的静态和动态无线充电技术方面取得丰富的理论研究成果和具备实用化功能的演示样机，形成完善的科学研究和工程实践体系，为推动无线充电技术的商业化和产业化提供坚实的技术保障。

崔淑梅

教授，博士生导师，研究方向为电动汽车电机系统及无线供电技术。

王得安

博士研究生，研究方向为水下无线电能传输技术。

张剑韬

副教授，博士生导师，研究方向为特种环境无线电能传输技术、植入式医疗设备无线电能传输技术。

本工作成果发表在2025年第3期《电工技术学报》，论文标题为“海洋环境对水下无线电能传输系统的影响机理研究进展“。本课题得到国家自然科学基金、国家重点研发计划和国防基础加强计划项目的支持。

引用本文

王得安, 张剑韬, 朱春波, 别致, 崔淑梅. 海洋环境对水下无线电能传输系统的影响机理研究进展[J]. 电工技术学报, 2025, 40(3): 653-675. Wang De’an, Zhang Jiantao, Zhu Chunbo, Bie Zhi, Cui Shumei. Review of Progress in the Study of Marine Environment Effects on Underwater Wireless Power Transfer Systems. Transactions of China Electrotechnical Society, 2025, 40(3): 653-675.

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