水下无线电能传输技术能很好地满足目前水下航行器智能化、多功能、远航程、精确导航的发展需求。《水下无线电能传输技术原理》系统阐述水下基于磁耦合的无线电能传输(IPT)系统的电能传输机理、系统设计和控制方法，主要内容包括无线电能传输技术研究现状、IPT系统基本原理、海洋环境物理参数对IPT系统影响机理分析、IPT系统阻抗匹配、互感变化下IPT系统设计、海洋环境下IPT系统磁耦合结构设计及IPT系统鲁棒控制等。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 海洋环境与空气环境无线电能传输共性技术研究现状 5
1.2.1 理论研究现状 6
1.2.2 应用研究现状 13
1.3 海洋环境特殊性问题研究现状 14
1.3.1 理论研究现状 14
1.3.2 应用研究现状 17
1.4 海洋环境中无线电能传输技术研究存在问题和挑战 19
1.5 本章小结 20
第2章 IPT系统基本原理 21
2.1 IPT系统电路模型 21
2.1.1 理想变压器模型 21
2.1.2 一般变压器模型 22
2.1.3 互感电路模型 24
2.2 IPT系统电磁场模型 36
2.2.1 IPT系统的复功率模型 36
2.2.2 IPT系统的能流密度矢量分析模型 40
2.2.3 IPT系统的功率传输模型 49
2.3 耦合模理论 50
2.4 本章小结 51
第3章 海洋环境物理参数对IPT系统影响机理分析 52
3.1 时谐电磁场基础 52
3.1.1 正弦量的复数表示法 52
3.1.2 时谐电磁场的约束方程 53
3.1.3 时谐电磁场的唯一性 55
3.2 载有正弦交流电的线圈在海洋环境中的时谐电磁场解析解 57
3.2.1 模型建立 57
3.2.2 电场强度仅有周向分量的证明 58
3.2.3 电场强度解析表达式以及数值计算 60
3.2.4 空气和海洋环境中的电场比较 65
3.3 修正互感模型 67
3.3.1 涡流损耗分析 67
3.3.2 互感修正 70
3.4 实验验证 73
3.4.1 初级侧电路中的等效涡流阻抗 74
3.4.2 次级侧电路中的等效涡流阻抗 75
3.4.3 修正互感模型验证 76
3.5 海洋环境中的IPT系统能量分配模型 78
3.6 IPT系统的参数优化方法 80
3.6.1 无线电能传输系统能效优化准则 80
3.6.2 基于遗传算法的参数优化设计 81
3.7 本章小结 92
第4章 IPT系统阻抗匹配 93
4.1 反Γ型补偿结构 93
4.2 S-S型补偿结构 95
4.3 S-SP型补偿结构 96
4.4 T型补偿结构 100
4.4.1 T型Vin-Vout输出方式 100
4.4.2 对称式补偿结构 102
4.5 抗偏心结构-恒压型输出结构 104
4.6 抗偏心结构-恒流型输出结构 107
4.7 LCC-LCC型补偿结构 110
4.8 基于Boost变换器的阻抗匹配 116
4.8.1 IPT系统*大效率传输的*优负载条件 117
4.8.2 *优负载追踪 120
4.8.3 实验验证 129
4.9 本章小结 130
第5章 互感变化下IPT系统设计 131
5.1 适用于海洋环境的三线圈结构 131
5.1.1 螺旋三线圈电磁场解析表达式 132
5.1.2 涡流损耗 135
5.1.3 仿真与实验验证方法 140
5.1.4 同心螺旋三线圈设计 142
5.1.5 三线圈结构补偿电路设计 147
5.2 互感和负载变化下恒流输出的阻抗匹配网络调整方法 160
5.2.1 电池充电过程 160
5.2.2 双边LC-CCM阻抗匹配网络电路拓扑分析 162
5.2.3 系统控制策略 167
5.2.4 仿真分析 169
5.2.5 实验验证 173
5.3 混合拓扑 179
5.3.1 混合拓扑基本结构 179
5.3.2 四线圈结构的耦合分析 179
5.3.3 四线圈结构的补偿网络 184
5.3.4 四线圈结构的传输特性 190
5.3.5 实验验证 194
5.4 本章小结 195
第6章 海洋环境下IPT系统磁耦合结构设计 196
6.1 适用于水下航行器的线圈结构 196
6.2 弧面线圈设计 196
6.2.1 质量计算 197
6.2.2 电磁辐射 200
6.3 抗360°旋转偏移的螺线管线圈设计 202
6.3.1 线圈设计 202
6.3.2 电路分析 204
6.3.3 实验验证 206
6.4 抗360°旋转偏移和轴向偏移的螺线管线圈设计 208
6.4.1 线圈设计 209
6.4.2 电路分析 210
6.4.3 实验验证 211
6.5 本章小结 213
第7章 IPT系统鲁棒控制 215
7.1 GSSA建模基础 215
7.2 Boost变换器统一建模 217
7.3 IPT系统数学建模 220
7.4 模型仿真 227
7.5 IPT系统恒流充电控制器设计 231
7.5.1 IPT系统控制问题描述 232
7.5.2 系统PID控制器设计 232
7.5.3 系统鲁棒控制器设计 237
7.5.4 鲁棒控制器性能仿真与分析 248
7.5.5 电路模型中鲁棒控制器性能仿真与分析 254
7.6 本章小结 258
参考文献 259

第1章绪论
　　1.1引言
　　无线电能传输(wireless power transfer， WPT)技术是指不需要导线或其他物理连接，通过将电能转换成电磁场、激光、微波及声波等形式能量的方法，跨过空间将能量从电源端传递到负载。该技术实现了电源与负载之间的完全电气隔离，具有安全、可靠、灵活等特点，因此得到了国内外学者的广泛关注。
　　著名物理学家Tesla是世界上**个从事无线电能传输技术研究与实验的科学家。他在1893年的世界博览会上，利用无线电能传输原理，在不用导线的情况下点亮了一盏照明灯。此后，他又建成了著名的Tesla Tower，试图在没有电线的情况下，点亮位于25m外的氖气照明灯，虽然实验*终没有成功，但是他开启了人类研究无线电能传输技术的先河。
　　1. 无线电能传输技术的分类
　　目前，无线电能传输技术主要有五种方式：
　　1)基于磁耦合的无线电能传输(inductive power transfer， IPT)技术
　　IPT系统主要由发射线圈、接收线圈组成，周围的金属介质对系统传输性能影响很大。其传输功率可以达到几百瓦到几十千瓦，该技术已进入实用化阶段。其基本原理为：直流电源经过逆变器变成高频交流电，通过线圈之间的磁场耦合，在次级侧线圈中产生同频率的交流电，然后通过整流器转换成直流电为负载供电，从而完成能量的无线传输。IPT系统原理图如图1.1所示。
　　图1.1IPT系统原理图
　　初级侧电路主要包括DC/AC(直流/交流)逆变器、补偿网络及初级侧线圈。次级侧电路包括次级侧线圈、补偿网络、AC/DC(交流/直流)整流电路和电池。直流电源经过DC/AC逆变器变成高频交流电，初级侧线圈在空间中产生交变电磁场，通过线圈之间的磁场耦合作用，次级侧线圈中产生同频率的交流电，然后通过AC/DC整流电路再转换为直流电为电池充电，从而完成能量的无线传输。
　　2)基于电场耦合的无线电能传输(capacitor power transfer， CPT)技术
　　CPT技术可分为双电容耦合方式及单电容耦合方式。双电容由四块金属板组成，单电容由两块金属板组成。CPT技术主要利用电场进行无线能量传输，理论上对外部器件产生的电磁干扰可以忽略不计。单电容耦合机理还在继续研究之中，根据目前已有的研究成果，主要的理论基础为驻波理论、自电容理论和虚拟地回路理论。
　　CPT系统由直流电源Vin、逆变模块、初级侧补偿网络、极板耦合器、次级侧补偿网络、整流模块和直流负载RL组成，如图1.2所示。
　　图1.2CPT系统原理图
　　将直流电源Vin和逆变模块看作电源，将整流模块和直流负载RL看作阻抗，中间部分的导电极板作为耦合器，其能量传输原理是当极板P1和极板P2上的电压发生变化时，次级侧电路的电荷会发生定向移动，若此时P1带的是正电荷，P2带的是负电荷，则由库仑定律可知，极板P3会带上负电荷，极板P4会带上正电荷，整个初级侧和次级侧的电荷保持恒定不变。当极板P1和极板P2的极性发生变化时，极板P3和极板P4的极性也会发生相应改变，此时极板P3和极板P4就相当于一个电源对负载做功，实现了能量的无线传递。
　　3)基于超声波的无线电能传输(ultrasonic power transfer， UPT)技术
　　UPT技术利用声发射和接收换能器把电能从发射端传送到接收端(见图1.3)。超声波波长较长，传输方向性好。基于超声波的无线电能传输技术，不产生电磁干扰与涡流损耗，可以穿透水下金属介质进行无线能量传输，水下航行器不需要进行专门设计，适用范围广，应用方便，具有很好的应用前景。
　　4)基于激光的无线电能传输(laser power transfer， LPT)技术和基于微波的无线电能传输(microwave power transfer， MPT)技术
　　基于激光、微波的无线电能传输技术可以实现远距离的无线电能传输，适用于航天航空等特殊应用领域，但存在传输效率低和传输通道存在安全隐患等缺点。
　　图1.3UPT系统原理图
　　2. 无线电能传输技术应用领域
　　1)电动汽车
　　电动汽车靠电力驱动，而电力是一种清洁能源，可以避免汽车尾气排放的有害气体对大气环境造成污染以及对人体健康构成威胁。近年来，随着电动汽车的大量普及，电动汽车无线充电也受到越来越多的关注。无线充电简单方便，即停即充，不需要手动操作，没有线缆拖拽，大大提升了用户体验感；用户只需把车停在停车位或车库中，就可安全充电；安装成本低且安装方便，只需在车库地下安装初级侧耦合机构，在汽车底盘安装次级侧耦合机构即可，价格低；无线充电不受气候条件的影响，在雨雪天气情况下都可以安全充电。因此，电动汽车无线充电将成为未来主要的发展方向。
　　2)水下无线电传输
　　另外，利用无线电能传输技术可以为自主水下航行器(autonomous underwater vehicle， AUV)、无人水下航行器(unmanned underwater vehicle， UUV)、遥控水下机器人(remote operated vehicle， ROV)等海洋装备进行无线供电，在军事