1 导读

无线电能传输技术可支持自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicles）长期连续运行，应用前景广阔。本文聚焦该技术的三大关键问题：海水中涡流损耗建模、抗偏移系统设计、无线电能与数据同步传输，并基于这三个维度分析了相关发展趋势，为水下无线电能传输的研究与应用提供参考。

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Citation：Zhang Y, Wu J, Liu C, et al. Overview of underwater wireless power transfer based on magnetic coupling. Ocean, 2025, 1(1): 9470008. https://doi.org/10.26599/OCEAN.2025.9470008

DOI：https://doi.org/10.26599/OCEAN.2025.9470008 

2 背景介绍

自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicles，AUVs）作为海洋勘探与开发的关键设备，广泛应用于海底测绘、资源开发、军事侦察等领域，需长时间连续水下作业。但AUV自身携带能量有限，传统有线充电存在连续性差、隐蔽性不足等问题，限制了其作业潜力。无线电能传输（Wireless Power Transfer，WPT）技术无需物理电气连接，可规避有线充电的安全风险，其按照传输介质的不同，主要可分为电磁场/波和机械波两大类。其中，基于磁耦合的感应式电能传输（Inductive Power Transfer，IPT）因技术成熟、功率等级高，成为水下AUV供电的最优选择。当前研究需解决海水中涡流损耗、AUV与充电装置偏移、电能与数据同步传输三大核心挑战。

3 图文介绍

3.1 海水中的涡流损耗

水下WPT系统与空中系统的核心差异在于传输介质，海水高导电性（4 S/m）和高相对介电常数（81）会引发涡流损耗，影响传输效率。

①涡流损耗计算：基于麦克斯韦方程推导电场强度表达式，通过数值积分或Y型等效电路模型（引入额外损耗电阻）可计算损耗，工作频率对损耗影响最为显著，二者呈近似指数关系。

②损耗抑制方法：采用三线圈系统可将涡流损耗减半；通过调节电场相位（使相位差大于90°）或双端全桥变换器相位调制，可降低损耗且不改变工作频率。

③分布电容影响：海水中Tx与Rx间的分布电容（Ce）会改变系统谐振状态，影响线圈电流和磁场分布，进而作用于涡流损耗。

图 1 无线电能传输（WPT）分类图

图 2 AUV水下无线电能传输系统典型结构图

图 3 电场计算简化模型

图 4 （a）涡流损耗的理想简化模型。涡流损耗与频率（b）和海水高度（c）的关系

3.2 抗偏移技术

海洋流体会导致AUV与充电装置发生旋转或轴向偏移，降低充电效率甚至导致充电失败，抗偏移技术主要从三方面实现：

①磁耦合器设计：分为钳式（闭环磁路，如罐形、锥形、自锁式）和开放式（如同轴线圈、弧形线圈、H型线圈），前者传输效率高但有效传输距离较短（通常<10mm），后者设计灵活、抗偏移能力强，适配复杂海洋环境。

②补偿网络优化：通过S-S、LCC-S等拓扑参数优化，或ISOS、IPOP等混合拓扑结构，可在耦合系数波动时维持稳定输出，降低偏移影响。

③控制策略调控：利用DC-DC变换器、H桥逆变器/整流器（PWM、PSM、PDM、PFM控制）或可变电感/电容，通过闭环控制实现稳定输出，提升抗偏移能力。

图 5 空气（a）和海水中（b）的Y型等效电路

图 6 水下三线圈WPT系统

图 7 AUV的磁耦合器结构：（a）夹钳式和（b）开放式

图 8 采用弧型磁芯的耦合结构：(a) 弧型-弧型结构，(b) 弧型-H型结构，(c) 弧型-摆型结构

3.3 无线电能与数据同步传输

AUV作业需同步传输电能与数据，传统方案难以平衡能量效率与通信可靠性，主流技术包括四类：

①频分复用（FDM）：低频段传输电能、高频段传输数据，通过滤波器隔离，结构简单且无需额外线圈。

②时分复用（TDM）：按时间片分配电能传输与通信时隙，无交叉干扰但实时性受限。

③混合传输（HT）：融合电磁、声学、光学等多物理场，适配长距离、高速率场景，但系统复杂度高。

④负载调制（LM）：通过改变接收端负载阻抗来调制能量载波参数以实现数据回传，具有结构紧凑的优点，但通信速率通常较低。

图9 FDM通信模块示意图

图 10 TDM通信模块示意图

图 11 HT通信模块示意图

图 12 LM常用编码示意图

3.4 典型应用案例

国内外已开展多项水下WPT系统实证研究：2004年日本NEC与东北大学联合开发的Marine Bird AUV充电系统，传输功率1kW，效率超90%；2022年松下推出千瓦级海上充电系统，传输效率达80%，位置自由度达米级；2023年哈尔滨工业大学提出DD线圈双信道复用无线电能与数据同步传输系统，效率达94.1%。

图 13 基于中继线圈的水下WPT系统

图 14 带充电通道的水下WPT系统

图 15 AUV对接系统配置图（经许可转载，详见本综述原文）

4 总结与展望

本文系统综述了AUV水下磁耦合无线电能传输的研究现状，梳理了涡流损耗抑制、抗偏移设计、无线电能与数据同步传输三大核心技术的优缺点。当前水下WPT技术已取得一定进展，但受海水介质特性和海洋环境复杂性影响，仍面临深远海环境适应性、智能控制、功率与数据混合传输等挑战。

未来的研究方向包括：

ž 深入研究宽带磁共振耦合机制的精细建模，结合超材料与宽禁带半导体技术优化传输效率；

ž 借鉴地面WPT成熟技术，实现水下与地面技术协同；

ž 构建时频空三维资源分配机制，克服海水介质引发的信号干扰；

ž 发展多物理场协同通信与数字孪生测试平台，提升系统可靠性；

ž 开发环境响应型智能材料与跨域协同传输技术，适配动态海洋环境。

5 作者简介

第一作者 张艺明

福州大学 

教授，博士生导师，电气工程与自动化学院副院长，IEEE高级会员，全球前2%顶尖科学家（终身榜单），清华大学本科和博士毕业。在Springer出版社出版英文专著1本。发表论文200余篇，发明专利10余项，包含100多篇一作/通讯SCI论文和70多篇一作/通讯EI论文，其中中国科学院一区70篇，二区16篇。总被引近7000次，H因子为48，13篇ESI高被引论文，3篇ESI热点论文。担任国际会议ICWPT 2022出版主席，受邀在多个国际会议上做主旨报告。获得清华大学优秀博士学位论文一等奖，获评国际顶刊TPEL和TIE的杰出审稿人，以及ECCE、EVS、EVCP和CIEEC在内的多项国内外优秀会议论文奖。主持国家自然科学基金海外优青项目、青年项目和福建省杰青项目等。主讲国家一流课程《电力电子技术》。

通讯作者 尹芳辉

清华大学

副教授，博士生导师，主要从事输电线路覆冰及防护、无线电能传输、复杂环境电气设备可靠性、电池储能技术、变压器状态监测等方向研究，获得重庆市科技进步一等奖，广东省科技进步二等奖，电工技术学会科技进步二等奖等奖励，主持国家自然科学基金面上项目、国家科技重大专项子课题、深圳市科创委项目、南网重大项目和国家电网指南项目等项目16项，个人累计项目经费超过2400万元。截至目前，出版著作2部，参与编写IEEE标准3项，CIGRE技术手册2册，行业/团体/地方标准7项，申请发明专利40余项，授权21项，发表SCI/EI论文130余篇。

通讯作者 唐燚

新加坡南洋理工大学 

副教授，博士生导师，新加坡南洋理工大学终身副教授，IEEE高级会员，武汉大学本科毕业，新加坡南洋理工大学博士毕业。研究方向包括电力电子技术及其在智能电网与电气化交通系统中的应用。曾任新加坡英飞凌科技亚太有限公司高级应用工程师，曾在丹麦奥尔堡大学从事博士后研究工作。曾获英飞凌顶级发明家奖（Infineon Top Inventor Award）、早期职业教学卓越奖（Early Career Teaching Excellence Award），并四次获得IEEE优秀论文奖。曾担任IEEE Transactions on Power Electronics（TPEL）与IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics（JESTPE）的副主编。

期刊简介

《海洋（英文）》（Ocean）是清华大学主办的英文开放获取期刊，基于清华大学出版社SciOpen平台出版发行，主编团队由挪威科技大学的Torgeir Moan院士、中国科学院的王中林院士、以及清华大学的张建民院士共同组成。《海洋（英文）》致力于发布海洋科学、海洋工程、海洋科技领域相关的最新研究进展，通过开放获取的出版模式提升成果传播速度与影响力，助力科研合作与创新，启幕海洋相关领域的学术新征程。

收稿范围包括但不限于：海洋生物学与海洋生物制药、海洋生物地球化学过程、海洋地球科学、海洋自然资源、大气与气象学、海洋污染与生态学、海洋化学、海洋数学、遥感、海洋声学与光学、海洋环境与预测、海洋自动化与机器人技术、海洋信息学与数字孪生、海洋灾害与防治、海洋采矿、近海与海岸工程结构、海洋岩土工程、水产养殖工程、流体力学、水动力学、海底工程等主题的研究论文、综述、快报、专家观点和研究亮点。

诚邀具有引领性、创新性和实用性的海洋领域相关文章的投稿!2028年底前投稿免APC！

期刊网址：www.sciopen.com/journal/3008-1203

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