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無(wú)線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）技術(shù)是指綜合應(yīng)用電工理論、電力電子技術(shù)、控制理論與技術(shù)等，利用磁場(chǎng)、電場(chǎng)、微波等載體實(shí)現(xiàn)電能從電網(wǎng)或電池以非電氣接觸的方式傳輸至用電設(shè)備。該技術(shù)極大提升了用電設(shè)備取電的靈活性、可靠性和安全性，正逐步走入人們生活與工業(yè)制造的相關(guān)領(lǐng)域。

目前常用的兩種無(wú)線電能傳輸方式分別為磁場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸（Magnetic Coupled Wireless Power Transfer, MC-WPT）和電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸（Electric-field Coupled Wireless Power Transfer, EC-WPT）。近年來(lái)，磁場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸在理論和技術(shù)上不斷突破，面向工業(yè)化應(yīng)用也較為成熟。電場(chǎng)在許多特性上與磁場(chǎng)相似，而且兩者在基本理論上也呈現(xiàn)出對(duì)偶性，因此國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸技術(shù)高度關(guān)注并展開(kāi)了研究。

電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)采用電場(chǎng)作為電能傳輸載體，具有以下優(yōu)點(diǎn)：耦合機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)易輕薄、形狀易變、成本低；在工作狀態(tài)時(shí)電場(chǎng)耦合機(jī)構(gòu)的絕大部分電通量分布于電極之間，對(duì)周圍環(huán)境的電磁干擾??；可以穿越金屬障礙傳能；在耦合機(jī)構(gòu)周圍及其之間的金屬導(dǎo)體上產(chǎn)生渦流損耗甚小。

圍繞電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的研究，目前國(guó)內(nèi)外團(tuán)隊(duì)已在系統(tǒng)拓?fù)洹⑾到y(tǒng)建模與動(dòng)力學(xué)分析、耦合機(jī)構(gòu)、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、能量信號(hào)并行傳輸、系統(tǒng)安全性和系統(tǒng)應(yīng)用等方面取得了一系列的成果。

但是這些研究成果主要是針對(duì)雙電容耦合系統(tǒng)，其系統(tǒng)的耦合機(jī)構(gòu)需要采用兩對(duì)金屬極板構(gòu)成完整的電氣回路，從而將電能從發(fā)射端傳輸?shù)浇邮斩耍鴥蓪?duì)耦合極板往往會(huì)引起以下問(wèn)題：由于電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的高驅(qū)動(dòng)頻率，耦合極板的交叉耦合隨著耦合距離的增加將更加顯著，這在增加系統(tǒng)復(fù)雜度的同時(shí)影響了電能傳輸；難以實(shí)現(xiàn)穿越金屬傳能；兩對(duì)金屬極板嚴(yán)重制約了電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸技術(shù)在二維平面移動(dòng)設(shè)備的無(wú)線供電中的應(yīng)用。

單電容耦合無(wú)線電能傳輸（Single Capacitive Coupled Wireless Power Transfer, SCC-WPT，也被稱為Single-wire Capacitance Power Transfer）是指只通過(guò)一對(duì)金屬極板且沒(méi)有直接的電氣連接回路實(shí)現(xiàn)電能傳輸?shù)募夹g(shù)，其系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 SCC-WPT系統(tǒng)框圖

相比于傳統(tǒng)的雙電容電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸方式，單電容耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的耦合機(jī)構(gòu)只需一對(duì)金屬極板，不僅降低了系統(tǒng)成本，還克服了傳統(tǒng)電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸方式的交叉耦合電容，更有利于穿越金屬傳能，且該方式下可以把發(fā)射極板做得較大，非常適用于二維平面移動(dòng)的一個(gè)或多個(gè)設(shè)備的無(wú)線供電。多設(shè)備的單電容耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 多設(shè)備的SCC-WPT系統(tǒng)示意圖

從以往的研究中可以看出，現(xiàn)有的單電容耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)存在著輸出功率小和傳輸效率較低等問(wèn)題，這也使得人們對(duì)單電容耦合無(wú)線電能傳輸技術(shù)沒(méi)有給予足夠的關(guān)注，嚴(yán)重制約了該技術(shù)的工程應(yīng)用和進(jìn)一步發(fā)展。

在傳統(tǒng)的電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸技術(shù)的研究基礎(chǔ)之上，重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院、無(wú)線電能傳輸技術(shù)國(guó)家級(jí)國(guó)際聯(lián)合研究中心的劉哲、蘇玉剛、鄧仁為、錢林俊、戴欣，在2022年第17期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，對(duì)單電容耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，給出一種可使系統(tǒng)輸出功率和效率大幅度提升的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和兩種參數(shù)設(shè)計(jì)方法?；谔岢龅耐?fù)浜蛥?shù)設(shè)計(jì)方法搭建實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)的能效特性、輸出特性和抗偏移性能進(jìn)行研究。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該拓?fù)浜蛥?shù)設(shè)計(jì)方法能夠大幅度提升系統(tǒng)的傳輸功率和傳輸效率。采用LC配諧方法時(shí)，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)輸出功率達(dá)到1.24kW，效率達(dá)到91.9%；采用LCC配諧方法時(shí)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)輸出功率達(dá)到1.43kW，效率達(dá)到85.9%。對(duì)于同樣的系統(tǒng)拓?fù)?，采用不同的參?shù)設(shè)計(jì)方法可以分別使系統(tǒng)具有恒壓特性或者恒流特性，且都具有較好的抗偏移性能，可以滿足不同的工程需求。

科研人員指出，該研究成果給單電容耦合無(wú)線電能傳輸技術(shù)提供了新的研究思路，表明單電容耦合無(wú)線電能傳輸技術(shù)是一個(gè)非常值得關(guān)注的研究方向，有很好的應(yīng)用前景，將有利于促進(jìn)單電容耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的機(jī)理研究和該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

本文編自2022年第17期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于雙邊LC補(bǔ)償?shù)膯坞娙蓠詈蠠o(wú)線電能傳輸系統(tǒng)”。本課題得到國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目的支持。