1 消費電子

由于消費電子受到電源線纏結和不便的困擾，無線電能傳輸技術最早應用在此之上并且有著廣闊的市場。目前，針對消費電子無線供電，MC-WPT技術已經逐漸成熟，已有PMA無線充電標準和Qi標準。而在EC-WPT方面，2010年日本春田制作有限公司開始將EC-WPT技術應用在日立萬盛iPad2和手機WP-PD10.Bk系列上，如圖1a和圖1b所示。

2014年韓國科學技術院將EC-WPT技術應用于三星Galaxy S3手機的無線充電中。2020年，圣地亞哥州立大學和電子科技大學提出一種NFC-CPT組合耦合器應用在金屬外殼的智能手機中。

圖1 EC-WPT技術應用裝置示例

消費電子的特點是體積小、傳輸距離近、傳輸功率小，而EC-WPT系統在水平面擁有更高的空間自由度、耦合機構設計更加簡易靈活，在消費電子領域中有著較大應用潛力。然而，相較于在該領域的MC-WPT系統，EC-WPT系統傳輸效率較低。因此，需要進一步研發較高充電效率、較高空間自由度的產品。

2 植入式醫療設備

近年來，可植入生物醫學裝置已經成為治療某些疾病的重要方法之一，然而其電池續航和體積成為其限制條件。因此，EC-WPT技術可以作為一種有效的解決方案。奧克蘭大學針對深植入生物醫學設備提出了一種基于電場耦合的無線電能傳輸方法，如圖1c所示。新加坡國立大學設計出工作頻率高達402MHz的EC-WPT系統，并將其應用于經皮電動醫療植入設備中，如圖1d所示。印度公立大學針對神經植入式傳感器建立了基于人體組織的電能與信號并行傳輸模型。

綜合目前EC-WPT植入式醫療設備的研究可見，電場耦合無線電能傳輸技術比較適用于經皮植入醫療設備充電。此外，該領域的研究關鍵在于生物體的安全性，即電磁場輻射、安全功率等；其次在于系統微型化，即電路集成、縮小體積；最后需要考慮生物體兼容的問題。

3 工業制造?

無線電能傳輸技術可以有效、可靠、安全地提供電能，在工業制造的相關領域得到廣泛關注。一些場合多用集電環、軸承，但老化磨損和碎屑粉塵會帶來安全隱患，EC-WPT技術可以很好地解決上述問題。

有學者利用滑動軸承靜子和轉子之間的寄生電容傳輸電能，消除了有線的電氣連接。有學者利用EC-WPT技術構建了一種牽引電動汽車的高功率密度的繞線轉子磁場同步電機，如圖1e所示。此外，有學者面向機器人模塊提出一種雙向電場耦合無線電能傳輸方案來平衡模塊之間的能量，如圖1f所示。

EC-WPT的耦合機構有良好的可塑性，可以根據應用需求任意設定形式，尤其適用于旋轉式和球式鏈接的應用，如電機、機械臂等。因此EC-WPT系統在工業制造領域有很大的應用潛力，能夠很好地提升系統的靈活性、安全性。

但是，目前EC-WPT技術在工業制造領域的應用以靜態充電系統為主，且沒有形成完善的、系統性的解決方案。此外，面向有自由度的應用，還需克服耦合機構偏移、功率流控制等問題。

4 電動汽車

近年來，以清潔電能為動力的電動汽車不斷發展，國家也在大力推進其走入千家萬戶。WPT技術在電動汽車中應用廣泛，定點充電使得充電更加便捷安全，動態充電可以有效增加電動車續航，并且能在一定程度上解決充電樁建設的問題。

目前，國內外研究團隊圍繞功率密度提升、靜態/動態供電、抗耦合機構偏移、降低參數敏感性等多方面進行了研究。

密歇根大學學者利用高階諧振網絡構建了以電動汽車為應用對象的實驗裝置。威斯康辛大學基于EC-WPT技術，將接收電極貼在車體尾部用曲面耦合來增大耦合電容，并設計了一套電動汽車充電系統。紐斯卡爾大學基于層疊式耦合機構采用LCL-S拓撲設計了一套電動汽車充電系統，簡化了系統拓撲并且在耦合機構偏移時不需要保護電路。昆明理工大學面向電動汽車的動態充電，提出了一種采用四線圈諧振網絡的EC-WPT系統，同時給出了一種針對有軌電車的電場耦合供電的實施方案。康奈爾大學利用高頻（13.56MHz）和交錯箔電感器構建了一種面向電動汽車充電的EC-WPT系統并實現高功率密度（49.4kW/m2）和高傳輸效率（94.7%）的電能傳輸。

表1總結和歸納了近年來用于電動汽車無線供電應用的EC-WPT系統，并對比了傳輸性能、耦合機構、充電形式等。通過現有文獻可知，EC-WPT系統的傳輸功率多是kW級，傳輸效率在90%左右，而系統的功率密度有了數量級的提升。此外，EC-WPT系統展現出較好的抗耦合偏移特性。

相比于該領域逐步應用的MC-WPT系統，EC-WPT技術在傳輸功率、傳輸效率等多方面都是有待提升的，離技術走向實際應用還有較長的路。此外，相比于定點供電，電動汽車動態供電系統具有更高的復雜性，存在耦合機構實時偏移、參數擾動、導軌切換等問題。

表1 電動汽車EC-WPT系統的對比

?5 水下設備

水下無線電能傳輸技術是一個很有意義的研究領域，該技術可以用于水下自動巡航器和水下探測設備等的供電，可以很好地解決有線供電方式帶來供電不方便和蓄電池續航能力不足等問題。近年來，水下無線充電系統主要基于ME-WPT技術。然而，磁場會在海水環境中產生渦流損耗，這會嚴重影響系統的傳輸效率。此外，壓磁效應也會影響MC-WPT系統傳輸性能。

由于EC-WPT技術特點，水介質能有效地增加系統耦合電容，提升系統傳輸能力，因此該技術是一種在水下無線供電中很有潛力的方法。有學者設計了一種應用在純水環境中的EC-WPT系統，其傳輸效率可達91.3%、傳輸距離為20mm。有學者提出了一種用于自主水下機器人（Autonomous Underwater Vehicle, AUV）的雙向EC-WPT系統，能夠更有效地平衡多個水下設備的能量，并有效提升續航能力。有學者在考慮絕緣層的影響下建立了純水中EC-WPT系統的電路模型，并提出了一種傳輸距離達200mm的水下電場耦合無線電能傳輸系統。

然而由于水下環境的復雜性，對水下EC-WTP技術提出了更高的要求。海水下存在水流涌動影響,耦合機構會發生偏移；海水介質的電導率不完全一致，會影響到耦合電極之間的耦合電容；水環境下的壓力、腐蝕、浮游生物附著等特殊問題也需要進一步考慮。因此，面向水下EC-WPT技術，應當綜合考慮海水環境的特殊性，在結合有限元仿真和實驗的基礎上，研究適用于水下的穩定的、高效的無線電能傳輸方案。

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。