無線電能傳輸（Wireless Power Transfer， WPT）技術是指綜合應用電工理論、電力電子技術、控制理論，利用磁場、電場、微波等實現電能從電網或電池以非電氣接觸的方式傳輸至用電設備的技術。該技術可以有效地解決傳統有線取電方式引起的設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的創新性和應用潛力，該技術在2012年、2013年連續兩年被世界經濟論壇評為對未來人類生活方式產生重大影響的“十大新興技術”之一。

目前，無線電能傳輸系統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）系統等。

其中，磁耦合無線電能傳輸技術發展較為成熟，應用也最為廣泛。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也日益吸引了來自國內外學者的高度關注。

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

圖1 EC-WPT系統的典型結構

在國內外的相關文獻中，電場耦合無線電能傳輸技術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。

EC-WPT系統利用高頻電場傳輸電能，具有以下特點：耦合機構簡易輕薄、形狀易變、成本低；系統整體電磁干擾（Electromagnetic Interference, EMI）較低；可以跨越金屬障礙傳能；在耦合機構之間或周圍的金屬導體上引起的渦流損耗很小。因此，研究EC-WPT技術可以與MC-WPT技術進行優勢互補，進一步拓展WPT技術的應用領域。

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

重慶大學科研人員介紹了相關文獻中關于EC-WPT技術的概念，闡述了EC-WPT系統的基本工作原理，論述了EC-WPT技術的系統建模、耦合機構、高頻功率變換器、諧振網絡、控制方法和電能信號并行傳輸等相關理論研究，以及該技術在消費電子、植入式醫療裝置、工業制造、電動汽車和水下設備等領域的應用情況。

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

1 單電容無線電能傳輸

目前的EC-WPT系統研究中，耦合機構需要兩對金屬極板構成完整的電氣回路，將電能從發射端傳輸到接收端，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，這在增加系統復雜度的同時影響電能傳輸；②當金屬障礙物橫跨兩對耦合極板的耦合區時，系統難以實現穿越金屬障礙傳能；③平行式耦合機構所占空間較大、層疊式耦合機構設計復雜等。

近年來，國內外研究學者在EC-WPT系統的實驗中偶然發現，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系統電能發射端往往是固定的，一些情況電能發射端可以連接大地以提升系統傳輸功率和效率。單電容EC-WPT系統的電能發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系統的耦合機構更加簡單靈活、系統更易跨越金屬傳能。

圖2 單電容無線電能傳輸系統簡化電路

相比于傳統EC-WPT系統，單電容耦合無線電能傳輸系統在拓撲形式上沒有一個完整的電氣回路，所以適用于傳統EC-WPT系統中的分析方法無法直接應用于單電容耦合WPT系統的建模與分析中。目前已有少量參考文獻對單電容無線電能傳輸系統開展了研究，但目前尚未得到理論與實驗完全相符的結果。詮釋單電容耦合WPT系統的傳輸機理是系統所有研究工作的首要前提，有必要對其電能傳輸機理進行深入剖析。

單電容耦合無線電能傳輸是EC-WPT技術的重要分支，研究和推動單電容耦合WPT技術的應用與發展，將有利于拓展和促進電場耦合無線電能傳輸相關理論與技術的進步。

2 跨越金屬傳能

眾所周知，電場耦合無線電能傳輸技術可以實現跨越金屬傳能，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的傳輸性能，因此EC-WPT系統能夠實現跨域金屬傳能。

然而，當出現以下情形時：①金屬障礙跨越平行式耦合機構的兩對耦合極板，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構的尺寸，如圖3d所示；系統發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 金屬障礙在耦合機構中間的不同形式

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

綜上所述，研究電場耦合機構中存在金屬障礙的電場密度分布，確定EC-WPT系統可以跨越金屬障礙傳能的邊界，對EC-WPT系統的理論研究及應用是極為重要的。在可跨越金屬傳能的邊界內，研究金屬障礙的幾何參量（空間位置、尺寸）對系統傳輸性能的影響規律，從而指導耦合機構優化設計和系統控制。

?3 電容耦合機構損耗模型

經過近些年的發展，EC-WPT系統能達到90%左右的傳輸效率，基本滿足部分WPT應用的需要。然而，相較于MC-WPT系統，EC-WPT系統的傳輸效率還待提升。對于MC-WPT和EC-WPT系統而言，損耗可以分為電力電子器件損耗、耦合機構損耗及諧振元件導通損耗，其中電力電子器件損耗和諧振元件導通損耗在MC-WPT中都有相對完善的分析方法和解決方案。

然而，EC-WPT系統的耦合機構與MC-WPT系統不同，現有的耦合機構損耗分析只是兩電容模型的等效串聯電阻，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構，不適用于松耦合的平行式和層疊式耦合機構。此外，多數采用層疊式耦合機構的文獻在理論分析中回避了耦合機構的損耗分析，僅從實驗的角度給出了實驗損耗。

綜上分析，當前EC-WPT系統缺乏電場耦合機構損耗模型的研究。因此，研究耦合機構的特征參量（電磁率、電導率、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構損耗的影響，進而建立耦合機構的損耗模型，從而指導EC-WPT系統耦合機構設計，為系統效率優化提供基礎。

?4 磁場耦合與電場耦合混合型WPT系統

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

從目前的研究成果來看，磁場耦合與電場耦合混合WPT系統主要用以實現目標：①提升系統傳輸功率，有學者提出了一種混合型磁場耦合與電場耦合WPT系統，可以實現更高的系統傳輸功率，其實驗裝置如圖4a所示；②電能與信號并行傳輸，有學者構建了一種混合型WPT系統，并利用線圈的寄生電容構建信號傳輸回路，其系統拓撲如圖4b所示。此外，有學者結合電場耦合與磁場耦合實現跨越金屬障礙傳能。

圖4 磁場耦合與電場耦合混合型WPT系統

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

（1）耦合機構優化設計，磁場耦合機構與電場耦合機構同時存在，增加了耦合機構所占空間，使得系統更加笨重。因此，優化設計融合式的混合耦合機構，使得耦合機構所占空間增大不明顯，并能有效利用電場耦合機構屏蔽磁場輻射。

（2）傳輸通道并行與分離控制，混合型WPT系統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，以滿足不同的應用需求。

?5 安全問題

安全問題一直是WPT技術的一個重要問題，它正成為WPT技術產業化推進中的主要制約因素。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域。磁耦合無線電能傳輸技術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解決以保證系統的安全性。由于電場耦合無線電能傳輸技術采用金屬極板作為電極，用高頻電場作為傳輸介質，因此EC-WPT技術在安全性上存在其特殊性。

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

圖5 EC-WPT系統安全問題研究

對于EC-WPT系統應用而言，電場輻射必須被限制在安全范圍內，以免造成人體傷害。有學者采用外加金屬極板對電場進行屏蔽，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構體積變大，此外額外增加的極板會影響耦合電容，使得系統耦合機構設計更加復雜。有學者將層疊式耦合機構的低壓極板置于外側、高壓極板置于內側，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走向成熟應用的首要前提，研究解決EC-WPT系統的電場輻射、觸電風險、異物問題，是EC-WPT技術發展的關鍵一步。

?以上研究成果發表在2021年第17期《電工技術學報》，論文標題為“電場耦合無線電能傳輸技術綜述”，作者為卿曉東、蘇玉剛。