水下自主航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)作为探测海洋的重要装备,在海洋资源开发、海洋国土安全保障等领域发挥着重要作用。但续航能力有限、巡航范围受限已成为限制AUV广泛应用的瓶颈问题之一。水下无线充电技术无短路风险、无需精确对准,有望成为解决AUV续航问题的重要手段。为此,本文从磁耦合装置、谐振补偿网络及功率变换电路、功率闭环控制系统、样机实现四方面入手,设计了适用于AUV的无线充电系统。针对AUV无线充电面临的空间极为受限、圆弧外形等特殊要求,提出了一种基于双极性耦合磁场的磁耦合装置,并对其进行优化设计。首先从磁场分布特征入手对磁耦合装置进行结构优化设计;然后采用参数扫描方法获得了磁耦合装置各几何参数对其性能的影响规律,根据系统对容错位能力及输出电压要求对磁耦合装置进行参数设计;搭建磁耦合装置有限元仿真模型,分析其磁场分布;最后搭建实际磁耦合装置,并对其进行对准及错位条件下的测试。仿真和实验结果表明,所设计的磁耦合装置具有体积小、耦合能力强、对错位敏感性低、磁场收敛效果好的优势。为提高水下无线充电系统能量传递的稳定性与可靠性,对补偿网络及功率变换电路进行分析与设计。针对海水特殊环境选择谐振稳定的LCL-S补偿网络,并对其传输机理进行研究,获得提升传递能力的方法;对采用移相控制的逆变电路进行工作模态分析,获得导通角对输出电压有效值和THD值的控制规律;利用基波分析方法,获得电容型滤波整流电路的输出电压和输出电流模型;整合无线供电网络各模块,获得无线供电网络输出电压数学描述,给出无线供电网络参数设计方法。在PSpice中搭建仿真电路,测试系统在对准、单维与多维错位下的电路工作状态,仿真结果证实上述设计方法的有效性和电路的稳定性。针对锂电池充电过程负载阻抗大范围变化,对系统功率闭环调节电路进行优化设计。建立锂电池充电模型,分析锂电池充电过程阻抗变化规律;根据副边输出恒压源特性,采用Buck电路实现功率控制及阻抗匹配调节;分析无线充电系统效率分布,获得耦合效率的准确数学描述,制定利用Buck电路阻抗变换能力实现系统效率优化设计的方案;设计系统功率闭环控制策略,完成功率控制系统设计。对功率闭环调节电路实验测试结果表明,可实现对锂电池组正常恒流与恒压充电,最大充电功率为600W,对应的工作效率为97%。为验证所制定方案的可行性,搭建了600W的无线充电系统样机实验平台。对硬件系统开发中面临的开关管驱动设计、电路制版等问题进行了研究;对无线供电网络开展了变负载、错位的开环测试;对无线充电系统开展了变负载、错位的闭环测试。测试结果表明,所设计的无线充电系统可在规定错位范围内实现正常充电功能,最大充电功率为600W,整机最大效率90.6%;充电过程中的350W及以上功率段对应整机效率均高于88%,耦合效率均高于97%,满足设计要求。