近年來(lái)，隨著科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，無(wú)線電能傳輸（Wireless Power Transmission, WPT）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（World Economic Forum,WEF）列為對(duì)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(wú)線電能傳輸可以分為近場(chǎng)的電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸（ECPT）與磁場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸（MCPT），以及遠(yuǎn)場(chǎng)的電磁輻射式無(wú)線電能傳輸（ERPT）。

其中，電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸又稱電容耦合式電能傳輸（CCPT）或電容式電能傳輸（CPT），是一種通過(guò)電場(chǎng)進(jìn)行無(wú)線電能傳輸?shù)姆绞健?/p>

在高頻交變電流的作用下，耦合機(jī)構(gòu)的發(fā)射極板與接收極板間形成交互電場(chǎng)，繼而產(chǎn)生位移電流，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線電能傳輸。典型電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1a所示，由高頻逆變器、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、耦合機(jī)構(gòu)、整流電路和負(fù)載五部分組成。圖中的耦合機(jī)構(gòu)是最常見(jiàn)的平板式四極板結(jié)構(gòu)，其中P1和P2為發(fā)射端極板，P3和P4為接收端極板，并且P1和P3為一對(duì)極板，用于從發(fā)射端向接收端傳輸能量，P2和P4為一對(duì)極板，用于構(gòu)建能量從接收端到發(fā)射端的返回路徑，后面的圖中若無(wú)特殊標(biāo)注則均采用此種排列組合方式。

典型電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)如圖1b所示，對(duì)比圖1a、圖1b可以發(fā)現(xiàn)，電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)與磁場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類似，唯一不同點(diǎn)是耦合機(jī)構(gòu)，磁場(chǎng)耦合式通常采用的是由高頻利茲線繞制成的線圈，而電場(chǎng)耦合式采用的大多為金屬極板。

圖1 典型WPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

相比于磁場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸，電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸具有眾多優(yōu)勢(shì)，具體對(duì)比見(jiàn)表1。從表中可以看出，電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)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(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸均具有明顯優(yōu)勢(shì)。

表1 MCPT與ECPT對(duì)比

電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸?shù)幕靖拍钭钤缬赡峁爬?特斯拉于20世紀(jì)末提出，但限于當(dāng)時(shí)的科技水平，該技術(shù)并未獲得更進(jìn)一步的發(fā)展；1966年美國(guó)電氣工程師C. Paul開(kāi)發(fā)了水下電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，但效率非常低，僅驗(yàn)證了其可行性；隨后電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的研究進(jìn)入空窗期，直到2008年新西蘭奧克蘭大學(xué)的A. P. Hu教授成功將其應(yīng)用于足球機(jī)器人的充電上，才將電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸重新拉回大眾視野。

但由于后續(xù)研究主要集中在短距離小功率領(lǐng)域，與磁場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)差距較大，因此也沒(méi)有引起廣泛關(guān)注；2014年美國(guó)威斯康辛大學(xué)的Ludois博士從理論上證明電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)輸出能夠達(dá)到kW級(jí)；2015年圣地亞哥州立大學(xué)的Chris Mi教授團(tuán)隊(duì)在傳輸距離為15cm的情況下實(shí)現(xiàn)了kW級(jí)別的功率傳輸，并將其成功應(yīng)用在電動(dòng)汽車(chē)的充電上，才正式掀起了電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸研究的熱潮。

現(xiàn)有研究表明，制約電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸發(fā)展的主要因素有三點(diǎn)：

• 一是耦合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，這是因?yàn)轳詈想娙菔芫嚯x等參數(shù)影響嚴(yán)重，系統(tǒng)對(duì)耦合電容值的變化敏感，需要設(shè)計(jì)良好的耦合機(jī)構(gòu)，保證耦合電容值穩(wěn)定。
• 二是電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，為了降低極板損耗，需要利用升壓補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)將極板電壓升至較高的水平，從而降低極板電流；此外，與磁場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)類似，高頻逆變器等其他電路結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)控制策略的設(shè)計(jì)也至關(guān)重要，需要設(shè)計(jì)高效高穩(wěn)定性的電路結(jié)構(gòu)，并針對(duì)具體應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。
• 三是安全屏蔽問(wèn)題，這是由于極板電壓過(guò)高，金屬極板之間存在高電壓感應(yīng)電場(chǎng)，有誤觸或泄露的風(fēng)險(xiǎn)，因此如何做好電場(chǎng)屏蔽，保證電磁安全是當(dāng)下最亟待解決的問(wèn)題。

針對(duì)以上三個(gè)問(wèn)題，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，但目前尚未有學(xué)者對(duì)這些研究成果進(jìn)行系統(tǒng)地總結(jié)。為此，華南理工大學(xué)電力學(xué)院的研究人員對(duì)電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸?shù)鸟詈蠙C(jī)構(gòu)、電路結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)控制、電磁安全、電場(chǎng)與磁場(chǎng)混合耦合和應(yīng)用場(chǎng)景六個(gè)方面進(jìn)行系統(tǒng)地分析與綜述，以期為電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸技術(shù)的研究與應(yīng)用提供參考。

1 電場(chǎng)耦合機(jī)構(gòu)

電場(chǎng)耦合機(jī)構(gòu)是發(fā)射端與接收端能量耦合的關(guān)鍵元件，耦合機(jī)構(gòu)的特性直接影響電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸性能，因此設(shè)計(jì)良好的耦合機(jī)構(gòu)就成為研究電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵性問(wèn)題。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的學(xué)者主要通過(guò)三方面展開(kāi)研究：一是使耦合機(jī)構(gòu)等效電容值更大，以提高無(wú)線傳輸?shù)哪芰炕蚓嚯x；二是研究不同結(jié)構(gòu)的金屬極板，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景；三是推導(dǎo)各耦合機(jī)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的電容等效模型，以便后續(xù)電路建模與設(shè)計(jì)。

電場(chǎng)耦合機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的要求，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，例如根據(jù)傳能距離的要求選擇不同的設(shè)計(jì)思路；根據(jù)負(fù)載應(yīng)用的要求選擇不同結(jié)構(gòu)的極板；根據(jù)研究的側(cè)向重點(diǎn)選擇不同的電容等效模型等。

可以看出，電場(chǎng)耦合機(jī)構(gòu)的研究還不夠完備，缺乏統(tǒng)一的設(shè)計(jì)方法和電容等效模型，追求更大的耦合電容值，適用于不同應(yīng)用場(chǎng)景的極板結(jié)構(gòu)以及更精確的電容等效模型，仍然是未來(lái)研究的重點(diǎn)方向。

2 電路結(jié)構(gòu)

經(jīng)過(guò)近年的研究，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)已經(jīng)趨于成熟，尤其是無(wú)源補(bǔ)償領(lǐng)域，可應(yīng)用的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)多種多樣，輸出功率大多可以達(dá)到1kW以上，輸出效率大多超過(guò)80%，基本能夠滿足所有應(yīng)用場(chǎng)合的需要。由于不同的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)具有不同的特性，在設(shè)計(jì)實(shí)際電路時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)想要實(shí)現(xiàn)的具體功能選擇相應(yīng)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景優(yōu)化補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的調(diào)諧參數(shù)，以便達(dá)到最優(yōu)性能。

3 系統(tǒng)控制

對(duì)電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸?shù)南到y(tǒng)控制研究還較為薄弱。系統(tǒng)建模方法是系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性分析的基礎(chǔ)，優(yōu)化控制策略則又是系統(tǒng)特性的保障，能量與信號(hào)并行傳輸技術(shù)是未來(lái)研究的重要方向。因此，有必要對(duì)電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸?shù)南到y(tǒng)控制開(kāi)展進(jìn)一步的研究。

4 電磁安全性研究

目前電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)安全性問(wèn)題主要有兩個(gè)：一是極板本身存在高電壓，誤觸有可能引起危險(xiǎn)；二是極板之間存在高感應(yīng)電場(chǎng)，可能會(huì)導(dǎo)致電場(chǎng)泄露引起危險(xiǎn)。電磁暴露關(guān)系到人體的健康，尤其是電場(chǎng)泄露會(huì)直接引起人體電神經(jīng)信號(hào)的紊亂，相對(duì)于磁場(chǎng)泄露危險(xiǎn)性更大，這是電場(chǎng)耦合目前尚未被廣泛應(yīng)用的主要原因。近年來(lái)，國(guó)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(chǎng)。

雖然對(duì)于電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的電磁安全性問(wèn)題已經(jīng)有一定的研究，但是仍無(wú)法完全避免其安全隱患。電磁安全性問(wèn)題仍然是阻礙電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸推廣應(yīng)用、進(jìn)入市場(chǎng)的關(guān)鍵性問(wèn)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(jì)更加安全可靠的電場(chǎng)屏蔽措施等。

5 電場(chǎng)與磁場(chǎng)混合耦合技術(shù)

目前對(duì)電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的研究還處于起步狀態(tài)，而磁場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)已經(jīng)趨于成熟，因此部分學(xué)者將目光放在了將二者結(jié)合的方向上。

基于電場(chǎng)與磁場(chǎng)混合耦合技術(shù)的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)有著能夠減少諧振元件、減少裝置體積、功能互補(bǔ)等多種優(yōu)點(diǎn)，能夠充分利用兩種傳輸方式的優(yōu)勢(shì)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，從而獲得更好的傳能性能。但將兩者結(jié)合過(guò)程中也不可避免地出現(xiàn)一些問(wèn)題，例如功率分配不均、相互干擾導(dǎo)致效率下降等等。研發(fā)高功率密度、高效率的電場(chǎng)與磁場(chǎng)混合耦合技術(shù)將會(huì)是接下來(lái)的熱點(diǎn)研究方向之一。

6 應(yīng)用場(chǎng)景

與磁場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸類似，電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸同樣可以應(yīng)用于很多領(lǐng)域，例如鐵路、電動(dòng)汽車(chē)靜態(tài)充電、無(wú)人機(jī)、工程電機(jī)等。除了常見(jiàn)應(yīng)用領(lǐng)域之外，電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)在部分特殊應(yīng)用領(lǐng)域相對(duì)于磁場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢(shì)，例如水下無(wú)線充電領(lǐng)域、動(dòng)態(tài)無(wú)線充電領(lǐng)域、醫(yī)療設(shè)備和旋轉(zhuǎn)類設(shè)備的無(wú)線充電領(lǐng)域等。

在大多數(shù)常見(jiàn)應(yīng)用領(lǐng)域中，電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)與磁場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)具有同樣的效果，可進(jìn)行等量替代，而在部分特殊應(yīng)用領(lǐng)域中，電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸擁有比磁場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，研究電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)勢(shì)在必行。

研究人員最后指出，目前電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸技術(shù)的研究正處在攻堅(jiān)克難的關(guān)鍵階段，仍需進(jìn)一步完善和應(yīng)用現(xiàn)有理論，爭(zhēng)取原理上的創(chuàng)新與突破。在未來(lái)的研究中，可以考慮將研究重點(diǎn)放在以下兩個(gè)方面：

一是解決電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸實(shí)際應(yīng)用的難題，例如研究雙極板結(jié)構(gòu)電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)以減小裝置體積，研究電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化控制算法以增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性或者是尋求更安全可靠的屏蔽措施以避免電場(chǎng)逃逸等安全隱患；

二是將已經(jīng)成熟應(yīng)用到磁場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)上的技術(shù)類比應(yīng)用到電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)上，例如研發(fā)高功率密度、高效率的電場(chǎng)與磁場(chǎng)混合耦合技術(shù)或?qū)⒂罘Q時(shí)間對(duì)稱技術(shù)、分?jǐn)?shù)階技術(shù)等新型無(wú)線電能傳輸技術(shù)，并將其應(yīng)用到電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中以提升系統(tǒng)性能等。

本文編自2022年第5期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“電場(chǎng)耦合式無(wú)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?yàn)闊o(wú)線電能傳輸機(jī)理及其應(yīng)用。本課題得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)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(fèi)專項(xiàng)資金和“攀登計(jì)劃”廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項(xiàng)資金的資助。