無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）技術將電力電子技術和現代控制理論與技術等相結合，通過磁場、電場、微波、激光等載體實現電能的無線傳輸，該技術已經成為了全球研究的熱點，它可以解決傳統導線直接電氣接觸帶來的很多問題，具有廣闊的應用前景。

電場耦合無線電能傳輸（Electric-filed Coupled Wireless Power Transfer, EC-WPT）技術利用金屬板間的高頻交變電場，實現能量無線傳輸，其耦合機構具有成本低、質量輕、形狀易變等特點，系統工作時在耦合機構周圍及之間的金屬導體上產生的渦流損耗小，并且能夠跨越金屬傳能。目前EC-WPT技術已經在消費電子、醫療用品及電動汽車等領域得到了廣泛應用。

相對于空氣中的EC-WPT技術而言，水下電場耦合無線電能傳輸技術的研究才剛剛起步。EC-WPT技術在水下應用具有諸多優勢，其利用高頻電場傳能，產生渦流損耗較小；耦合機構采用金屬極板，結構簡單，在水下應用時只需在表面涂上一層絕緣層即可；金屬極板比較堅固，能夠適應深水中壓強較大的場合。

此外，極板間的耦合電容是EC-WPT系統傳能的關鍵因素，而水中的相對介電常數為81，能夠極大地提高極板間的耦合電容，有利于提升系統的傳輸功率和效率。同時在系統中，耦合電容的提高意味著可以用更小的電感進行補償，進一步減小了系統的體積且可以降低成本，有利于提高系統的功率密度。

目前面向水下的EC-WPT系統耦合機構主要采用四塊正對的平行金屬極板，不能適用于水下旋轉設備無線供電的應用場景，且對于水下耦合機構發生位置偏移的情況尚未有文獻進行研究。

針對水下環境中旋轉設備無線供電的應用需求，以及取電設備移入移出可能會發生偏移的應用場景，重慶大學自動化學院、國家無線電能傳輸技術國際聯合研究中心的研究人員蘇玉剛、錢林俊、劉哲、鄧仁為、孫躍，在2022年第10期《電工技術學報》上撰文，以淡水中利用電場耦合方式給旋轉設備進行無線供電的應用為例，提出一種考慮絕緣層情況的水下通過旋轉耦合機構供電的EC-WPT系統，分析絕緣層相對介電常數和厚度對電容的影響規律，得到絕緣層材料和厚度的選取方法，建立耦合機構模型。

圖1 水下旋轉式耦合機構示意圖

研究人員以雙側LC補償的EC-WPT系統為例，建立系統的等效電路模型，以系統輸出功率、傳輸效率為待優化目標函數，系統頻率、k值和補償電感作為決策變量，將諧振條件、器件耐壓耐流值和抗偏移性作為約束條件，給出基于第二代非支配排序遺傳算法（Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II, NSGA-II）的多約束多目標優化方法，優化得到多約束條件下的Pareto最優前沿，根據實際需求選擇一組最優解。

圖2 系統實驗裝置

他們構建系統仿真模型，并搭建旋轉式水下EC-WPT實驗樣機，通過實驗比較在耦合機構及參數優化方法相同的情況下，系統在水下和空氣中的能量傳輸性能，以及不同環境中的抗偏移效果。

表1 水下和空氣環境指標對比

研究人員指出，當搭建的實驗裝置輸出功率為311W時，傳輸效率為87.4%，系統縱向偏移20mm或橫向偏移9mm時，輸出功率和效率仍能滿足需求。他們在實驗中比較了在輸入電壓、負載、耦合機構和參數優化方法相同的情況下，系統在水下和空氣中的輸出功率、效率和抗偏移效果，結果表明，系統在水下的輸出功率比空氣中高約2倍，并且在水下的抗偏移性優于空氣環境。

本文編自2022年第10期《電工技術學報》，論文標題為“水下具有旋轉耦合機構的電場耦合無線電能傳輸系統及參數優化方法”。本課題得到了國家自然科學基金資助項目的支持。