近年來，隨著科技的發(fā)展和社會的進步，無線電能傳輸（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)濟論壇（World Economic Forum,WEF）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）。

其中，電場耦合式無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），是一種通過電場進行無線電能傳輸?shù)姆绞健?/p>

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

典型電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)如圖1b所示，對比圖1a、圖1b可以發(fā)現(xiàn)，電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)與磁場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類似，唯一不同點是耦合機構(gòu)，磁場耦合式通常采用的是由高頻利茲線繞制成的線圈，而電場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)

相比于磁場耦合式無線電能傳輸，電場耦合式無線電能傳輸具有眾多優(yōu)勢，具體對比見表1。從表中可以看出，電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)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。

表1 MCPT與ECPT對比

電場耦合式無線電能傳輸?shù)幕靖拍钭钤缬赡峁爬?特斯拉于20世紀末提出，但限于當(dāng)時的科技水平，該技術(shù)并未獲得更進一步的發(fā)展；1966年美國電氣工程師C. Paul開發(fā)了水下電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)，但效率非常低，僅驗證了其可行性；隨后電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)的研究進入空窗期，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)用于足球機器人的充電上，才將電場耦合式無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，與磁場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)差距較大，因此也沒有引起廣泛關(guān)注；2014年美國威斯康辛大學(xué)的Ludois博士從理論上證明電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)輸出能夠達到kW級；2015年圣地亞哥州立大學(xué)的Chris Mi教授團隊在傳輸距離為15cm的情況下實現(xiàn)了kW級別的功率傳輸，并將其成功應(yīng)用在電動汽車的充電上，才正式掀起了電場耦合式無線電能傳輸研究的熱潮。

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

• 一是耦合機構(gòu)的設(shè)計，這是因為耦合電容受距離等參數(shù)影響嚴重，系統(tǒng)對耦合電容值的變化敏感，需要設(shè)計良好的耦合機構(gòu)，保證耦合電容值穩(wěn)定。
• 二是電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計，為了降低極板損耗，需要利用升壓補償網(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，與磁場耦合式無線電能傳輸系統(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)計也至關(guān)重要，需要設(shè)計高效高穩(wěn)定性的電路結(jié)構(gòu)，并針對具體應(yīng)用進行優(yōu)化。
• 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。

針對以上三個問題，近年來，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量研究，但目前尚未有學(xué)者對這些研究成果進行系統(tǒng)地總結(jié)。為此，華南理工大學(xué)電力學(xué)院的研究人員對電場耦合式無線電能傳輸?shù)鸟詈蠙C構(gòu)、電路結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)控制、電磁安全、電場與磁場混合耦合和應(yīng)用場景六個方面進行系統(tǒng)地分析與綜述，以期為電場耦合式無線電能傳輸技術(shù)的研究與應(yīng)用提供參考。

1 電場耦合機構(gòu)

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

近年來國內(nèi)外的學(xué)者主要通過三方面展開研究：一是使耦合機構(gòu)等效電容值更大，以提高無線傳輸?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)用場景；三是推導(dǎo)各耦合機構(gòu)相對應(yīng)的電容等效模型，以便后續(xù)電路建模與設(shè)計。

電場耦合機構(gòu)應(yīng)當(dāng)根據(jù)應(yīng)用場景的要求，結(jié)合實際情況進行設(shè)計，例如根據(jù)傳能距離的要求選擇不同的設(shè)計思路；根據(jù)負載應(yīng)用的要求選擇不同結(jié)構(gòu)的極板；根據(jù)研究的側(cè)向重點選擇不同的電容等效模型等。

可以看出，電場耦合機構(gòu)的研究還不夠完備，缺乏統(tǒng)一的設(shè)計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，仍然是未來研究的重點方向。

2 電路結(jié)構(gòu)

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

3 系統(tǒng)控制

對電場耦合式無線電能傳輸?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，能量與信號并行傳輸技術(shù)是未來研究的重要方向。因此，有必要對電場耦合式無線電能傳輸?shù)南到y(tǒng)控制開展進一步的研究。

4 電磁安全性研究

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)外高校和研究機構(gòu)均在加緊該方面的研究，以便盡快將其推入市場。

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。

5 電場與磁場混合耦合技術(shù)

目前對電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)的研究還處于起步狀態(tài)，而磁場耦合式無線電能傳輸系統(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。

基于電場與磁場混合耦合技術(shù)的無線電能傳輸系統(tǒng)有著能夠減少諧振元件、減少裝置體積、功能互補等多種優(yōu)點，能夠充分利用兩種傳輸方式的優(yōu)勢，取長補短，從而獲得更好的傳能性能。但將兩者結(jié)合過程中也不可避免地出現(xiàn)一些問題，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、高效率的電場與磁場混合耦合技術(shù)將會是接下來的熱點研究方向之一。

6 應(yīng)用場景

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。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。

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。

研究人員最后指出，目前電場耦合式無線電能傳輸技術(shù)的研究正處在攻堅克難的關(guān)鍵階段，仍需進一步完善和應(yīng)用現(xiàn)有理論，爭取原理上的創(chuàng)新與突破。在未來的研究中，可以考慮將研究重點放在以下兩個方面：

一是解決電場耦合式無線電能傳輸實際應(yīng)用的難題，例如研究雙極板結(jié)構(gòu)電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)以減小裝置體積，研究電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化控制算法以增強系統(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逃逸等安全隱患；

二是將已經(jīng)成熟應(yīng)用到磁場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)上的技術(shù)類比應(yīng)用到電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)上，例如研發(fā)高功率密度、高效率的電場與磁場混合耦合技術(shù)或?qū)⒂罘Q時間對稱技術(shù)、分數(shù)階技術(shù)等新型無線電能傳輸技術(shù)，并將其應(yīng)用到電場耦合式無線電能傳輸系統(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》，論文標題為“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?；究蒲袠I(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。