1 海底基站或母船向AUV无线充电

为了解决AUV的水下充电难题，研究人员尝试将无线电能传输技术应用到水下，以提高充电系统的可靠性和安全性。2001年，Bradley和Feezor等率先研制出通过海底观测网向AUV充电的系统，该系统在水下2000m可向AUV提供200W电能，传输效率为79%。

由于无线电能传输系统的能量发射端与接收端无直接接触，在水下洋流冲击下，对接姿态易产生偏移和倾斜，且大多数AUV定位精度低，姿态控制困难，故充电过程中的线圈错位难以避免。传统的E形磁心结构虽然磁路封闭性强，效率高，但对磁心的横向位置敏感度较高，所以传统的E形磁心结构只适用于固定位置的负载。

允许相对旋转的锥形和罐形磁心是目前AUV普遍采用的结构，如图8所示，与E形磁心相比，其磁心结构与线圈布设不同，但其结构都是轴对称的，一次、二次侧均可相对旋转而不影响传输效果。

图8 锥形磁心和罐形磁心

2004年，日本东北大学和NEC公司将松耦合变压器进行优化设计，采用了特殊形状铁氧体磁心和锥形线圏，优化后的水下无线充电系统可向AUV输送500W电能，传输效率可达90%。

罐形磁心可将线圈间隙的高频磁场限制在磁心柱体内，形成磁屏蔽效果，其抑制电磁干扰能力强，一次、二次线圈可以获得较高的耦合系数。

锥形或罐形结构可安装在AUV腹部或者头部，当安装在航行器腹部时，要精确控制对接准确度，防止因对接作用力过大而折断；当安装在航行器头部时，对接过程较容易控制，但这将对航行器导航和声纳系统造成一定影响。

Manikandan等通过海水实验对比了带铁心的平面螺旋线圈、罐形线圈和锥形线圈在不同传输距离下的效率表现，指出不同的线圈结构有各自的适用距离。

除了优化磁心结构外，自2004年以来，美国科研人员致力于将AUV的插拔式水下充电坞站（Dock）改造成无线充电方式，研制成功了多型AUV的水下无线充电坞站，并在商业和军事领域得到成功应用。

我国在水下无线充电领域研究起步较晚，但发展迅速，取得了一些可喜成果。浙江大学陈鹰教授团队致力于解决深海极端环境带来的AUV水下无线充电难题，在水下无线充电机理、耦合器分离式结构设计、深海极端环境因素干扰等方面开展了持续深入的研究，图9为电磁耦合器实验样机和封装结构。

西北工业大学张克涵教授等利用磁耦合谐振式原理，深入研究了海水中能量的传输机理以及电涡流损耗，得到计算电涡流损耗的近似公式，公式表明，海水间隙的涡流损耗与谐振频率的二次方成正比，与传输线圈半径的四次方成正比，与磁感应强度的二次方成正比；设计了环形铁氧体磁心结构，一次侧安装在基站，二次侧安装在AUV的腹部，如图10所示，成功实现了500W的电能传递，该种环形磁心结构需要对航行器腹部进行改动，通用性有待提高。

图9 电磁耦合器实验样机和封装结构

图10 环形铁氧体磁心结构

为克服由AVU姿态偏移引起的耦合系数变化及谐振频率偏移，文献[35]提出并试验了基于锁相环的频率控制方式，使系统保持在谐振频率点运行，提高了AUV的水下充电效率及稳定性。

此外，天津工业大学、国防科技大学、重庆大学、海军工程大学、沈阳自动化研究所等单位都陆续开展了AUV水下无线充电研究，取得了一批具有自主知识产权的成果。

2 海洋观测浮标系统与海底观测网络的无线供电

传统的浮标系统与海底观测网络普遍没有水下电能补给功能，水下传感系统依靠自身携带的电池工作，电池体积和重量较大，限制浮标体内部主要电子设备的体积和功率。美国、日本率先采用电磁感应式无线电能传输技术，实现了水下传感系统的无线供电。

日本TRITON浮标将能量和数据传输链路合二为一，实现了同步传输，能够为水下设备提供180mW的电能。McGinnis等对传统海床观测系统做出了改进，为其设计了一套感应式无线充电系统，可同时对海底固定观测设备和AUV进行无线电能供应，该系统传输距离为2mm，传输效率可达70%。

天津大学在国内较早开展了此内容研究，提出了通过浮标体上安装的太阳电池板为能源的电磁感应式供电方案，系统原理与结构示意图分别如图11和图12所示，该系统可实现能量自给，蓄电池逆变产生的高频交流电通入水上电磁耦合器内，能量先后通过水上电磁耦合器、系泊钢缆和水下电磁耦合器，经过两次电磁感应耦合传递到电能中转电路，经过适当转换向水下传感器供电。

图11 电磁感应式供电方案系统原理

图12 电磁感应式供电方案系统结构