近年來，隨著科技的發(fā)展和社會的進(jìn)步，無線電能傳輸正在逐漸走入人們的生活，并且已經(jīng)連續(xù)兩年被世界經(jīng)濟(jì)論壇列為對世界影響最大、最有可能為全球面臨的挑戰(zhàn)提供答案的十大新興技術(shù)之一，具有很強(qiáng)的潛力。根據(jù)傳輸原理，無線電能傳輸可以分為近場的電場耦合式無線電能傳輸（ECPT）與磁場耦合式無線電能傳輸（MCPT），以及遠(yuǎn)場的電磁輻射式無線電能傳輸（ERPT）。

電場耦合式無線電能傳輸是一種通過金屬極板之間的耦合電容實現(xiàn)能量無線傳輸?shù)募夹g(shù)，以其良好的傳能特性、不產(chǎn)生渦流、成本低、損耗低等優(yōu)點獲得了廣泛的關(guān)注，成為當(dāng)下無線電能傳輸研究的一個熱點。電場耦合式無線電能傳輸技術(shù)除了在安全性與中遠(yuǎn)距離充電領(lǐng)域略有不足外，在其他方面相較于磁場耦合式無線電能傳輸均具有明顯優(yōu)勢。

現(xiàn)有研究表明，制約電場耦合式無線電能傳輸技術(shù)發(fā)展的主要因素有三點：一是耦合機(jī)構(gòu)的設(shè)計；二是電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計；三是安全屏蔽問題，這是由于極板電壓過高，金屬極板之間存在高電壓感應(yīng)電場，有誤觸或泄露的風(fēng)險，因此如何做好電場屏蔽，保證電磁安全是當(dāng)下最亟待解決的問題。

目前電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)安全性問題主要有兩個：一是極板本身存在高電壓，誤觸有可能引起危險；二是極板之間存在高感應(yīng)電場，可能會導(dǎo)致電場泄露引起危險。電磁暴露關(guān)系到人體的健康，尤其是電場泄露會直接引起人體電神經(jīng)信號的紊亂，相對于磁場泄露危險性更大，這是電場耦合目前尚未被廣泛應(yīng)用的主要原因。近年來，國內(nèi)外高校和研究機(jī)構(gòu)均在加緊該方面的研究，以便盡快將其推入市場。

1 電磁輻射安全標(biāo)準(zhǔn)

不同于磁場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)國際公認(rèn)的Qi和A4WP標(biāo)準(zhǔn)，國際上尚缺乏關(guān)于電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)統(tǒng)一的安全標(biāo)準(zhǔn)，電場屏蔽的標(biāo)準(zhǔn)只能從電磁輻射方面進(jìn)行借鑒，總結(jié)見表1。

表1 電磁輻射安全標(biāo)準(zhǔn)

2 屏蔽方案

針對高電壓誤觸問題，現(xiàn)有研究較少，主要方法多為在金屬板表面增加絕緣層，以防止人體誤觸，但絕緣層的介電常數(shù)也會影響到耦合電容值，因此需要綜合考慮。

國內(nèi)外主要研究方向都集中在如何防止電場泄露。

• 有學(xué)者對比了電場與磁場的屏蔽方法，發(fā)現(xiàn)金屬墻雖然無法屏蔽磁場，但是對電場的屏蔽十分有效。
• 有學(xué)者提出了一種在平板式結(jié)構(gòu)外部增加金屬屏蔽盒的方法，成功地降低了耦合機(jī)構(gòu)垂直方向上的電場泄露，屏蔽效果良好。
• 有學(xué)者提出了一種降低電場泄露的六極板結(jié)構(gòu)，在水平四極板的基礎(chǔ)上增加兩個額外的極板用于屏蔽，將安全距離從0.6m降低至0.1m，屏蔽效果顯著。
• 有學(xué)者引入了三元件人體阻抗模型，如圖1所示，推導(dǎo)了平板式結(jié)構(gòu)的極板電壓以及放置于極板周圍金屬導(dǎo)體的感應(yīng)電壓計算公式，提出了一種多約束的參數(shù)設(shè)計方法，在保證安全性的前提下，達(dá)到滿足系統(tǒng)期望的傳輸功率與效率。
• 有學(xué)者將ECPT系統(tǒng)應(yīng)用到電動汽車的充電上時，利用車殼和地面作為屏蔽極板，并根據(jù)安全標(biāo)準(zhǔn)對車殼電壓進(jìn)行優(yōu)化，在保證安全性的情況下實現(xiàn)了kW級的功率輸出。
• 有學(xué)者提出了一種陣列極板式耦合機(jī)構(gòu)，通過控制相鄰極板對的電壓相位，有效減少系統(tǒng)外部的電場輻射，并結(jié)合Maxwell有限元仿真結(jié)果，表明在使用8塊極板的情況下能夠減少40%的外部電場輻射。

圖1 三元件人體阻抗模型

綜上所述可以看出，雖然對于電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)的電磁安全性問題已經(jīng)有一定的研究，但是仍無法完全避免其安全隱患。電磁安全性問題仍然是阻礙電場耦合式無線電能傳輸推廣應(yīng)用、進(jìn)入市場的關(guān)鍵性問題。在后續(xù)的研究中，應(yīng)當(dāng)致力于尋找既能保證絕緣又能提供高介電常數(shù)、低介質(zhì)損耗的耦合介質(zhì)，設(shè)計更加安全可靠的電場屏蔽措施等。

本文編自2022年第5期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“電場耦合式無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀”，作者為于宙、肖文勛 等。第一作者為于宙，碩士研究生；通訊作者為肖文勛，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為無線電能傳輸機(jī)理及其應(yīng)用。本課題得到了國家自然科學(xué)基金重點項目、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金和“攀登計劃”廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項資金的資助。