A Robust AUVs Wireless Power Transfer System Based on Seawater Cross-coupling Capacitance Model
本文提出了一种鲁棒的自主水下航行器无线能量传输系统，该系统利用海水互耦合电容模型、宇称-时间对称性以及双线圈（DD）结构，在存在显著轴向和角度偏差的情况下，实现了对对准不敏感且效率约为90%的恒定功率传输。
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在阳光消逝、压力剧增的深海之下，自主水下航行器（AUV）扮演着海洋探索中沉默哨兵的角色。这些机器人潜水器对于绘制海底地图、监测气候变化以及检查水下基础设施至关重要，然而它们面临着一个根本性的限制：它们依靠电池运行。就像智能手机一样，它们的作业寿命取决于它们能携带多少能量，一旦电量耗尽，它们就必须返回船只或充电桩来更换能源。这种返回岸边的循环效率低下，既消耗燃料又耗费时间，而且通过插拔电缆或更换沉重电池的机械过程，会引入漏水和电气故障的风险。多年来，工程师们一直试图寻找一种为这些机器进行无线充电的方法，就像手机在充电板上充电一样，但海洋为这种技术提供了一个独特且恶劣的环境。水，尤其是咸海水，会导电，并产生看不见的电场力，这可能会干扰传输电能所需的精密磁场；同时，洋流不断地推搡和拉扯这些航行器，导致它们与充电站发生偏移。
青岛大学和国家电网经济技术研究院的研究人员通过设计一种全新的无线电力系统，解决了这些特定的挑战，该系统能够在通常会使其失效的条件下蓬勃运行。他们并没有试图忽略海水的电学特性，而是采用了拥抱这些特性的方法。他们意识到，当两组线圈置于海水中时，海水本身会充当一座桥梁，在它们之间创造出一种比在空气中强得多的隐藏电连接。通过建立一个能够解释这种“交叉耦合”效应的数学模型，他们得以设计出一个利用被称为“宇称时间对称性”（parity-time symmetry）原理的系统。简单来说，这是一种平衡行为，通过工程设计使流出的能量与流入的能量相匹配，从而创造出一种电力传输极其稳定的状态。这种稳定性意味着，即使水下航行器受到电流的推动，发生倾斜或侧向漂移，它接收到的功率也不会发生剧烈波动。该系统的设计旨在维持稳定的能量流，而无需任何无线通信来告知充电器如何进行调整；电路本身的物理特性即可处理这种修正。
为了证明这一概念在现实世界中可行，团队构建了一个物理原型，并在两种不同的环境中进行了测试：空气以及采集自青岛海岸的实际海水。他们建造了一个带有大型发射线圈的充电站，并将接收线圈安装在航行器上，随后对该装置进行了严格测试。他们将线圈之间的距离拉开至多80毫米，并使其在各种角度下倾斜，以模拟风暴中潜艇的不可预测运动。结果令人瞩目。在空气中，该系统的效率保持在约91%，这意味着几乎所有发送的能量都被接收到了。更重要的是，当实验在海水中重复进行时，效率依然保持在惊人的约90%。无论线圈如何错位——无论是侧向偏移还是向上倾斜30度——输出功率都保持稳定。即使在航行器同时发生倾斜和偏移的情况下，这种一致性依然成立，而在这种情况下，标准的无线充电器通常会导致失效或大幅功率损失。
研究人员发现，该系统之所以能够忽略错位，并非源于复杂的软件或外部传感器，而是电路设计的内在特征。通过仔细选择线圈尺寸和用于调节系统的特定电子元件，他们创造了一个“强耦合”区域，在该区域内，能量传输天然地不受距离和角度变化的影响。在海水测试中，该系统成功输送了近100瓦的功率，这一水平足以为中小型水下机器人的电池充电。这项研究证实，海水的电干扰（通常被视为主要障碍）是可以被建模和管理的，从而创造出一种稳健的充电解决方案。这项工作表明，未来的水下基地可以实现自主航行器集群的自动充电，使其无需人工干预或危险的电缆连接，即可在水下执行更长时间的任务。这些发现为保持海洋机器人探索者的动力提供了一条切实可行的路径，将变幻莫测、动荡不安的海底环境转化为可靠的充电场。
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