近年來，隨著科技的發(fā)展和社會的進步，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。

1 常見應(yīng)用領(lǐng)域

與磁場耦合式無線電能傳輸類似，電場耦合式無線電能傳輸同樣可以應(yīng)用于很多領(lǐng)域，例如鐵路、電動汽車靜態(tài)充電、無人機、工程電機等。

在鐵路領(lǐng)域，有學(xué)者類比磁場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)中的四線圈結(jié)構(gòu)，提出了一種用于電場耦合式無線電能傳輸?shù)闹欣^耦合結(jié)構(gòu)，在原來的磁場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)中增加兩個中繼結(jié)構(gòu)，分別與發(fā)射端線圈和接收端線圈磁場耦合，而兩個中繼結(jié)構(gòu)之間采用電場耦合的方式，這是因為鐵軌和地面可以作為中繼線圈的電流返回路徑，因此中繼耦合結(jié)構(gòu)只需要一對金屬極板，可以有效增加耦合電容，提高系統(tǒng)的功率和效率。

有學(xué)者發(fā)現(xiàn)鐵軌的側(cè)面可以起到冷凝器的作用，因此以鐵軌構(gòu)建返回路徑的傳能效果優(yōu)于以輪胎構(gòu)建的效果。

在電動汽車靜態(tài)充電領(lǐng)域，有學(xué)者利用汽車四個車輪的金屬輪圈作為接收極板，增大了耦合面積，傳輸功率達到了60W。同時該學(xué)者指出，也可以通過提高極板的電壓來增加極板間的電場強度，從而提高傳輸功率。

有學(xué)者將汽車底盤寄生電容的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)加以利用，將其轉(zhuǎn)化為阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，極大地提升了功率傳輸密度，傳輸功率近600W。2015年后，美國圣地亞哥州立大學(xué)先后提出了多種用于電動汽車充電的拓撲，效率均超過90%，也正式將電場耦合式無線電能傳輸?shù)墓β实燃壧嵘絢W級別。有學(xué)者將汽車底盤和地面等效為一對極板，與另一對額外的金屬極板共同構(gòu)成耦合機構(gòu)，實現(xiàn)了3.3kW的傳能，安全距離為0.25m，但極板電壓達到了24 720V，應(yīng)當(dāng)進一步考慮安全屏蔽的問題。

在無人機領(lǐng)域，有學(xué)者采用了補償網(wǎng)絡(luò)、升壓變壓器、逆變器全部置于發(fā)射端的方式，令接收端的電路僅由半導(dǎo)體元件等小型器件組成，降低了負載端的體積和質(zhì)量，在保證不影響無人機工作的情況下傳遞了10W左右的功率，達到了與磁場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)同等的功率傳輸效果，但效率只有70%，還有待提高。

在工程電機領(lǐng)域，美國威斯康辛大學(xué)在2012年~ 2015年設(shè)計了諸如多層極板耦合機構(gòu)、流體動力軸承耦合機構(gòu)、滑動軸承耦合機構(gòu)等多種新型耦合機構(gòu)，但都由于技術(shù)問題未能付諸應(yīng)用；該團隊又于2017年提出將電場耦合式無線電能傳輸應(yīng)用到線性運動機構(gòu)來替代以往的導(dǎo)線連接的方法，通過改造導(dǎo)軌滑塊的結(jié)構(gòu)，使其構(gòu)成多對耦合電容，并將逆變器連接到導(dǎo)軌上，在滑塊側(cè)連接整流電路，最終搭建了3.66MHz、111.9W 的電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)。

2 特殊應(yīng)用領(lǐng)域

除了常見應(yīng)用領(lǐng)域之外，電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)在部分特殊應(yīng)用領(lǐng)域相對于磁場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢，例如水下無線充電領(lǐng)域、動態(tài)無線充電領(lǐng)域、醫(yī)療設(shè)備和旋轉(zhuǎn)類設(shè)備的無線充電領(lǐng)域等。

水作為傳輸介質(zhì)時，耦合機構(gòu)會同時產(chǎn)生導(dǎo)電損耗和介電損耗，因此水介質(zhì)與空氣介質(zhì)擁有不同的特性。

有學(xué)者的研究表明，當(dāng)采用海水作為耦合介質(zhì)時，極間距不會影響耦合機構(gòu)的等效電容值，這是與空氣作為耦合介質(zhì)的重大區(qū)別。有學(xué)者對水下電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)的耦合機構(gòu)進行改造，一對金屬極板直接暴露在海水中，另一對金屬極板表面附著絕緣材料后再置于水下。該學(xué)者指出直接暴露在海水中的金屬極板，由于海水的導(dǎo)電性，可以看成是一個電阻，因此該系統(tǒng)可認為是雙極板電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)，且無需嚴格的位置要求。該學(xué)者還發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)傳輸效率與海水的離子濃度有關(guān)，但沒有給出具體的相關(guān)性。

有學(xué)者研究表明當(dāng)頻率在200MHz以下時，淡水的導(dǎo)電損耗在整體損耗中占主導(dǎo)地位，而頻率高于200MHz時，介電損耗占主導(dǎo)。有學(xué)者在其基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，水下電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)傳能效率主要取決于耦合機構(gòu)的耦合系數(shù)k與空載水介質(zhì)的品質(zhì)因數(shù)Q的乘積，因此該文獻提出了一種能夠提升系統(tǒng)kQ的設(shè)計方法，從而提升了系統(tǒng)效率。有學(xué)者提出了一種帶緩沖阻尼器的新型耦合機構(gòu)設(shè)計方法，在20mm的傳輸距離下，輸出1kW的功率，效率可以達到90%。

在動態(tài)無線充電應(yīng)用中，磁場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)需要在很長一段距離上全程鋪設(shè)高頻利茲線圈以激發(fā)磁場，損耗和成本很高，而電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)僅需要采用廉價的金屬極板，其損耗低、成本低。

有學(xué)者提出了一種F型補償拓撲，可以有效抑制接收端移除引起的逆變器開關(guān)管電壓電流沖擊，保證發(fā)射端在空載時能自動進入待機狀態(tài)。有學(xué)者提出了一種利用耦合電容作為虛擬開關(guān)的“接收控制”型混合耦合機構(gòu)，實現(xiàn)了接收端移開時，發(fā)射端不產(chǎn)生空載損耗及漏磁輻射，系統(tǒng)最大輸出功率為 120W，最高效率達 81.42%。有學(xué)者利用雙極板結(jié)構(gòu)電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)給電動摩托車充電，在3m長的鋁箔上實現(xiàn)了200W的功率輸出，但效率較低，還有待進一步改進。

電場耦合式無線電能傳輸?shù)慕饘贅O板尺寸最小可以做到μm級，相比線圈更方便嵌入人體，而且它不會在醫(yī)療設(shè)備的金屬表面產(chǎn)生渦流，也避免了對生物組織造成的熱傷害，其電磁干擾小，對其他醫(yī)療設(shè)備的正常工作也不會造成干擾，因此電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)在植入式醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域極具應(yīng)用價值。

有學(xué)者首創(chuàng)性地將極板嵌入人體內(nèi)，完成了對嵌入式醫(yī)療設(shè)備的充電。有學(xué)者創(chuàng)新性地提出將皮膚作為耦合介質(zhì)以增大傳能效率，最終實現(xiàn)了為1mm2大小、厚度5cm的植入設(shè)備無線充電，充電功率約為0.5mW，充電效率為0.39 %，雖然功率與效率都很低，但證明了這種方式的可行性。

有學(xué)者通過在生物體內(nèi)外放入耦合極板來形成耦合電容，實現(xiàn)為36 cm2大小、厚度2cm的植入設(shè)備充電，傳輸功率為100mW，效率在40%左右；同時該學(xué)者也發(fā)現(xiàn)，因為人體組織電阻率較低，對電場有較強的衰減和屏蔽效果，所以效率比常規(guī)無線電能傳輸系統(tǒng)要低很多。

有學(xué)者以猴子作為實驗對象，研究了基于柔性電極的植入式設(shè)備電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)，耦合面積為4cm2、傳輸深度為7mm、傳輸功率為120mW、傳輸效率超過50%。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)經(jīng)由身體組織的電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)的最佳工作頻率在100~200MHz之間，但是該研究要求人體內(nèi)的接收極板與體外發(fā)射極板必須正對，限制了其靈活性。

目前向可旋轉(zhuǎn)部件供電的方式大多是通過“集電-電刷”方式，這種電能供給方式不僅會產(chǎn)生比較強的電磁干擾影響傳感，而且長久工作狀態(tài)下容易導(dǎo)致電刷損壞，如果采用磁場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)，又會產(chǎn)生復(fù)雜的線圈纏線問題，因此采用電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)成為最優(yōu)的解決方案。

有學(xué)者首先提出了能夠應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)類設(shè)備的圓盤式與圓筒式兩種耦合結(jié)構(gòu)，對比發(fā)現(xiàn)圓筒式結(jié)構(gòu)的耦合電容值比圓盤式要高；有學(xué)者將空氣動力流體軸承應(yīng)用到旋轉(zhuǎn)電容器結(jié)構(gòu)，通過最小化電容分離距離，最大化相對面積，保證靜止與運動表面之間的電容耦合最大化，通過不同規(guī)格的流體軸承設(shè)計可以令耦合電容比平板式結(jié)構(gòu)大100倍。

圖1總結(jié)了目前電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)的主要應(yīng)用場景。在大多數(shù)常見應(yīng)用領(lǐng)域中，電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)與磁場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)具有同樣的效果，可進行等量替代，而在部分特殊應(yīng)用領(lǐng)域中，電場耦合式無線電能傳輸擁有比磁場耦合式無線電能傳輸明顯的優(yōu)勢。因此，研究電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)勢在必行。

圖1 應(yīng)用場景