無線電能傳輸（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，利用磁場、電場、微波等實現(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)備的技術(shù)。該技術(shù)可以有效地解決傳統(tǒng)有線取電方式引起的設(shè)備靈活性受限和安全隱患的問題。也正是由于無線電能傳輸技術(shù)的創(chuàng)新性和應(yīng)用潛力，該技術(shù)在2012年、2013年連續(xù)兩年被世界經(jīng)濟(jì)論壇評為對未來人類生活方式產(chǎn)生重大影響的“十大新興技術(shù)”之一。

目前，無線電能傳輸系統(tǒng)主要可以分為磁耦合無線電能傳輸（Magnetic Coupling Wireless Power Transfer, MC-WPT）、電場耦合無線電能傳輸（Electric-field Coupling Wireless Power Transfer, EC-WPT）、激光無線電能傳輸（Optical Power Transfer, OPT）、微波無線電能傳輸（Microwave Power Transfer, MPT）、超聲波無線電能傳輸（Ultrasonic Power Transfer, UPT）系統(tǒng)等。

其中，磁耦合無線電能傳輸技術(shù)發(fā)展較為成熟，應(yīng)用也最為廣泛。由于電場在許多特性上與磁場相似，而且兩者在基本理論上呈現(xiàn)出對偶性，以電場為傳輸媒介的電場耦合無線電能傳輸技術(shù)也日益吸引了來自國內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注。

目前，主要有來自新西蘭奧克蘭大學(xué)，美國威斯康辛大學(xué)、圣地亞哥州立大學(xué)、康奈爾大學(xué)，加拿大阿爾伯塔大學(xué)，日本宇都宮大學(xué)，韓國大邱大學(xué)，蔚山大學(xué)和英國布魯爾大學(xué)等海外研究機(jī)構(gòu)的學(xué)者，以及大連理工大學(xué)、西南交通大學(xué)、昆明理工大學(xué)、華南理工大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)和重慶大學(xué)的研究團(tuán)隊針對EC-WPT技術(shù)的各個領(lǐng)域開展研究。

圖1 EC-WPT系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)

在國內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn)中，電場耦合無線電能傳輸技術(shù)同時還被稱為電容式電能傳輸（Capacitive Power Transfer, CPT），電容無線電能傳輸（Capacitive Wireless Power Transfer, CWPT），電場耦合電能傳輸（Electric-field Coupled Power Transfer, ECPT），電容耦合電能傳輸（Capacitively Coupled Power Transfer, CCPT）技術(shù)。

EC-WPT系統(tǒng)利用高頻電場傳輸電能，具有以下特點：耦合機(jī)構(gòu)簡易輕薄、形狀易變、成本低；系統(tǒng)整體電磁干擾（Electromagnetic Interference, EMI）較低；可以跨越金屬障礙傳能；在耦合機(jī)構(gòu)之間或周圍的金屬導(dǎo)體上引起的渦流損耗很小。因此，研究EC-WPT技術(shù)可以與MC-WPT技術(shù)進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)，進(jìn)一步拓展WPT技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

經(jīng)過近些年的發(fā)展，EC-WPT技術(shù)在傳輸功率、傳輸效率和傳輸距離上有了數(shù)量級的提升，從一開始近距離（約mm）、小功率（＜100W）、低效率（約80%）的系統(tǒng)到現(xiàn)在的中距離（約300mm）、中等功率(＞1000W)、中等效率（約90%）的系統(tǒng)，在傳輸距離和傳輸功率上已經(jīng)能滿足許多WPT應(yīng)用的需求。

重慶大學(xué)科研人員介紹了相關(guān)文獻(xiàn)中關(guān)于EC-WPT技術(shù)的概念，闡述了EC-WPT系統(tǒng)的基本工作原理，論述了EC-WPT技術(shù)的系統(tǒng)建模、耦合機(jī)構(gòu)、高頻功率變換器、諧振網(wǎng)絡(luò)、控制方法和電能信號并行傳輸?shù)认嚓P(guān)理論研究，以及該技術(shù)在消費(fèi)電子、植入式醫(yī)療裝置、工業(yè)制造、電動汽車和水下設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用情況。

科研人員重點圍繞單電容無線電能傳輸、跨越金屬傳能、電容耦合機(jī)構(gòu)損耗模型、磁場耦合與電場耦合混合型WPT系統(tǒng)、安全問題五個方面進(jìn)行展望并討論EC-WPT技術(shù)未來值得關(guān)注的研究方向。

1 單電容無線電能傳輸

目前的EC-WPT系統(tǒng)研究中，耦合機(jī)構(gòu)需要兩對金屬極板構(gòu)成完整的電氣回路，將電能從發(fā)射端傳輸?shù)浇邮斩?，而兩對耦合極板往往會引起以下問題：

①多塊耦合極板的交叉耦合隨著耦合距離增加會更加顯著，這在增加系統(tǒng)復(fù)雜度的同時影響電能傳輸；②當(dāng)金屬障礙物橫跨兩對耦合極板的耦合區(qū)時，系統(tǒng)難以實現(xiàn)穿越金屬障礙傳能；③平行式耦合機(jī)構(gòu)所占空間較大、層疊式耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜等。

近年來，國內(nèi)外研究學(xué)者在EC-WPT系統(tǒng)的實驗中偶然發(fā)現(xiàn)，僅用一對金屬極板時仍然能傳輸電能，其簡化電路如圖2所示。需要說明的是，單電容EC-WPT系統(tǒng)電能發(fā)射端往往是固定的，一些情況電能發(fā)射端可以連接大地以提升系統(tǒng)傳輸功率和效率。單電容EC-WPT系統(tǒng)的電能發(fā)射端和接收端僅采用一塊金屬極板作為電極，能很好地解決兩對耦合極板引起的問題，因此單電容EC-WPT系統(tǒng)的耦合機(jī)構(gòu)更加簡單靈活、系統(tǒng)更易跨越金屬傳能。

圖2 單電容無線電能傳輸系統(tǒng)簡化電路

相比于傳統(tǒng)EC-WPT系統(tǒng)，單電容耦合無線電能傳輸系統(tǒng)在拓?fù)湫问缴蠜]有一個完整的電氣回路，所以適用于傳統(tǒng)EC-WPT系統(tǒng)中的分析方法無法直接應(yīng)用于單電容耦合WPT系統(tǒng)的建模與分析中。目前已有少量參考文獻(xiàn)對單電容無線電能傳輸系統(tǒng)開展了研究，但目前尚未得到理論與實驗完全相符的結(jié)果。詮釋單電容耦合WPT系統(tǒng)的傳輸機(jī)理是系統(tǒng)所有研究工作的首要前提，有必要對其電能傳輸機(jī)理進(jìn)行深入剖析。

單電容耦合無線電能傳輸是EC-WPT技術(shù)的重要分支，研究和推動單電容耦合WPT技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，將有利于拓展和促進(jìn)電場耦合無線電能傳輸相關(guān)理論與技術(shù)的進(jìn)步。

2 跨越金屬傳能

眾所周知，電場耦合無線電能傳輸技術(shù)可以實現(xiàn)跨越金屬傳能，然而縱觀EC-WPT的研究卻少有這方面的研究成果。金屬障礙如圖3a所示，金屬障礙在處于其中一對耦合極板之間時，金屬障礙足夠小時幾乎不影響系統(tǒng)的傳輸性能，因此EC-WPT系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)跨域金屬傳能。

然而，當(dāng)出現(xiàn)以下情形時：①金屬障礙跨越平行式耦合機(jī)構(gòu)的兩對耦合極板，如圖3b所示；②金屬障礙尺寸大于耦合極板尺寸且接地，如圖3c所示；③金屬障礙大于層疊式耦合機(jī)構(gòu)的尺寸，如圖3d所示；系統(tǒng)發(fā)射極板和接收極板間的電場分布可能被金屬障礙影響或者阻斷，EC-WPT系統(tǒng)的電能傳輸會受到很大的影響乃至于不能傳輸電能。

圖3 金屬障礙在耦合機(jī)構(gòu)中間的不同形式

圍繞EC-WPT系統(tǒng)跨越金屬傳能只有很少量的研究，有學(xué)者提出一種結(jié)合電場耦合與磁場耦合的方法實現(xiàn)跨越金屬障礙傳能，利用電場耦合在金屬障礙中產(chǎn)生高頻交流電，從而通過磁場耦合傳輸電能。此外，金屬障礙與EC-WPT系統(tǒng)之間存在耦合電容，當(dāng)這些電容不能忽略時會影響系統(tǒng)傳輸性能。

綜上所述，研究電場耦合機(jī)構(gòu)中存在金屬障礙的電場密度分布，確定EC-WPT系統(tǒng)可以跨越金屬障礙傳能的邊界，對EC-WPT系統(tǒng)的理論研究及應(yīng)用是極為重要的。在可跨越金屬傳能的邊界內(nèi)，研究金屬障礙的幾何參量（空間位置、尺寸）對系統(tǒng)傳輸性能的影響規(guī)律，從而指導(dǎo)耦合機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和系統(tǒng)控制。

?3 電容耦合機(jī)構(gòu)損耗模型

經(jīng)過近些年的發(fā)展，EC-WPT系統(tǒng)能達(dá)到90%左右的傳輸效率，基本滿足部分WPT應(yīng)用的需要。然而，相較于MC-WPT系統(tǒng)，EC-WPT系統(tǒng)的傳輸效率還待提升。對于MC-WPT和EC-WPT系統(tǒng)而言，損耗可以分為電力電子器件損耗、耦合機(jī)構(gòu)損耗及諧振元件導(dǎo)通損耗，其中電力電子器件損耗和諧振元件導(dǎo)通損耗在MC-WPT中都有相對完善的分析方法和解決方案。

然而，EC-WPT系統(tǒng)的耦合機(jī)構(gòu)與MC-WPT系統(tǒng)不同，現(xiàn)有的耦合機(jī)構(gòu)損耗分析只是兩電容模型的等效串聯(lián)電阻，該方法忽略了交叉耦合電容只適用于緊耦合的平行式耦合機(jī)構(gòu)，不適用于松耦合的平行式和層疊式耦合機(jī)構(gòu)。此外，多數(shù)采用層疊式耦合機(jī)構(gòu)的文獻(xiàn)在理論分析中回避了耦合機(jī)構(gòu)的損耗分析，僅從實驗的角度給出了實驗損耗。

綜上分析，當(dāng)前EC-WPT系統(tǒng)缺乏電場耦合機(jī)構(gòu)損耗模型的研究。因此，研究耦合機(jī)構(gòu)的特征參量（電磁率、電導(dǎo)率、頻率等）、幾何參量（尺寸、距離等）對極板上的電流密度分布和耦合機(jī)構(gòu)損耗的影響，進(jìn)而建立耦合機(jī)構(gòu)的損耗模型，從而指導(dǎo)EC-WPT系統(tǒng)耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計，為系統(tǒng)效率優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

?4 磁場耦合與電場耦合混合型WPT系統(tǒng)

MC-WPT與EC-WPT技術(shù)是無線電能傳輸技術(shù)中相對成熟的兩類，它們有各自的優(yōu)點并在很大程度可以進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)。近年來，國內(nèi)外學(xué)者提出了磁場耦合與電場耦合混合型WPT系統(tǒng)，能夠充分利用MC-WPT系統(tǒng)與EC-WPT系統(tǒng)的優(yōu)勢，從而更好地將能量從電能發(fā)射端傳輸至接收端，是今后研究中可以重點關(guān)注的研究方向。

從目前的研究成果來看，磁場耦合與電場耦合混合WPT系統(tǒng)主要用以實現(xiàn)目標(biāo)：①提升系統(tǒng)傳輸功率，有學(xué)者提出了一種混合型磁場耦合與電場耦合WPT系統(tǒng)，可以實現(xiàn)更高的系統(tǒng)傳輸功率，其實驗裝置如圖4a所示；②電能與信號并行傳輸，有學(xué)者構(gòu)建了一種混合型WPT系統(tǒng)，并利用線圈的寄生電容構(gòu)建信號傳輸回路，其系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D4b所示。此外，有學(xué)者結(jié)合電場耦合與磁場耦合實現(xiàn)跨越金屬障礙傳能。

圖4 磁場耦合與電場耦合混合型WPT系統(tǒng)

然而，作為一個新興的研究方向，混合型WPT系統(tǒng)在存在一些問題亟待研究和解決，包括且不僅限于：

（1）耦合機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，磁場耦合機(jī)構(gòu)與電場耦合機(jī)構(gòu)同時存在，增加了耦合機(jī)構(gòu)所占空間，使得系統(tǒng)更加笨重。因此，優(yōu)化設(shè)計融合式的混合耦合機(jī)構(gòu)，使得耦合機(jī)構(gòu)所占空間增大不明顯，并能有效利用電場耦合機(jī)構(gòu)屏蔽磁場輻射。

（2）傳輸通道并行與分離控制，混合型WPT系統(tǒng)存在電場傳能與磁場傳能兩個能量通道，可以有多種能量傳輸模式。研究傳輸通道的并行與分離控制，以滿足不同的應(yīng)用需求。

?5 安全問題

安全問題一直是WPT技術(shù)的一個重要問題，它正成為WPT技術(shù)產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)中的主要制約因素。微波無線電能傳輸和激光無線電能傳輸技術(shù)在傳輸通道上極具破壞性，有很大的安全隱患，暫時只適用于特殊領(lǐng)域。磁耦合無線電能傳輸技術(shù)主要有電磁場輻射和渦流損耗等問題，因此需要額外采取電磁屏蔽和異物檢測等技術(shù)解決以保證系統(tǒng)的安全性。由于電場耦合無線電能傳輸技術(shù)采用金屬極板作為電極，用高頻電場作為傳輸介質(zhì)，因此EC-WPT技術(shù)在安全性上存在其特殊性。

隨著EC-WPT技術(shù)的發(fā)展，其傳輸功率和傳輸距離有了很大的提升，而大功率系統(tǒng)的耦合電極的電壓可達(dá)幾千伏乃至上萬伏，因此存在安全隱患。系統(tǒng)的耦合電極可以通過附加絕緣和封裝處理以防止觸電，然而耦合機(jī)構(gòu)的電場會在周圍的金屬體上產(chǎn)生分布電壓，人體在觸碰金屬體時可能會有觸電風(fēng)險。有學(xué)者基于人體阻抗模型建立了人體接觸EC-WPT系統(tǒng)耦合機(jī)構(gòu)周圍金屬導(dǎo)體的等效模型，有效地從安全角度指導(dǎo)EC-WPT系統(tǒng)的設(shè)計，其等效模型如圖5a所示。

圖5 EC-WPT系統(tǒng)安全問題研究

對于EC-WPT系統(tǒng)應(yīng)用而言，電場輻射必須被限制在安全范圍內(nèi)，以免造成人體傷害。有學(xué)者采用外加金屬極板對電場進(jìn)行屏蔽，其電場分布如圖5b所示。但是額外增加的屏蔽板使得耦合機(jī)構(gòu)體積變大，此外額外增加的極板會影響耦合電容，使得系統(tǒng)耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計更加復(fù)雜。有學(xué)者將層疊式耦合機(jī)構(gòu)的低壓極板置于外側(cè)、高壓極板置于內(nèi)側(cè)，從而有效地利用低壓極板降低電場輻射，但是低壓極板也是相對于高壓極板而言的，該方法只能在一定程度上降低電場輻射。

安全是無線電能傳輸技術(shù)走向成熟應(yīng)用的首要前提，研究解決EC-WPT系統(tǒng)的電場輻射、觸電風(fēng)險、異物問題，是EC-WPT技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵一步。

?以上研究成果發(fā)表在2021年第17期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“電場耦合無線電能傳輸技術(shù)綜述”，作者為卿曉東、蘇玉剛。