水下自主航行器作为重要的水下装备,广泛应用在海资源探测、海上军事行动等方面,但其一直存在着巡航范围小、续航能力差的缺点,而水下无线充电技术可以解决以上问题。因此,本文从磁耦合装置、无线电能功率控制电路、实验测试三个方面展开研究,设计一种具有高功率密度和强抗错位能力的水下自主航行器无线充电系统。针对水下自主航行器无线充电系统受海水动态扰动错位导致的系统传能不稳定问题,提出了一种双层错位线圈磁耦合装置。分析DD线圈和DDQ线圈的磁场特性和抗偏移特性,设计一种双层空间错位互补的线圈结构;利用Maxwell仿真获得互感错位的变化规律,抽象互感与空间位置相对应的数学模型;以建立行波磁场为目标优化双层线圈内电流幅值和相位,通过理论和仿真分析利用行波磁场降低输出波动的机理及有效性;搭建磁耦合装置实物模型,实验结果表明所提出的双层错位线圈磁耦合装置可以实现高功率密度的无线传能,但其抗滚动错位能力仍有待提升。为进一步提高无线充电系统抗滚动错位能力,提出了一种双层错位对称线圈磁耦合装置。分析原发射线圈磁场分布特性和补偿电路谐振状态,设计一种轴对称的双层空间错位互补的线圈结构;利用Maxwell仿真验证改进线圈结构对行波磁场均匀性的提升;搭建磁耦合装置实物模型,实验结果表明所提出的双层错位对称线圈磁耦合装置相比于原磁耦合装置,其抗滚动错位能力得到巨大提高。为简化系统电路并实现系统输出闭环调节,开展了无线充电系统电路的研究。分析半桥逆变电路的输出特性,获得使用半桥逆变电路代替全桥逆变电路驱动两组发射线圈的方法;分析LCC-P补偿网络的工作原理和输出特性;对比分析电流型Buck电路和电流倍增器的输出特性,并对电流倍增器进行模态分析;设计简化后的整体系统电路,推导系统输出的数学描述;仿真结果表明简化后的系统电路可以实现有效的开环传能和闭环传能。为验证所设计的无线充电系统的可行性,进行了整体实验测试。设计并制作系统整体硬件电路,搭建实验测试平台;对系统进行原位置和位置错位的开环测试;采用副边功率控制方法对系统进行恒流/恒压闭环充电测试;测试结果表明,开环系统最大输出功率可达到1.2k W,整机效率为90%,且具有较强的抗错位能力;闭环系统可以实现11A恒流充电和54V恒压充电。综上,本文设计的基于双层错位对称线圈的水下自主航行器无线充电系统可以实现高功率密度、强抗错位的高效无线充电。