近年來，隨著科技的發展和社會的進步，無線電能傳輸正在逐漸走入人們的生活，并且已經連續兩年被世界經濟論壇列為對世界影響最大、最有可能為全球面臨的挑戰提供答案的十大新興技術之一，具有很強的潛力。

根據傳輸原理，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）。

電場耦合式無線電能傳輸是一種通過金屬極板之間的耦合電容實現能量無線傳輸的技術，以其良好的傳能特性、不產生渦流、成本低、損耗低等優點獲得了廣泛的關注，成為當下無線電能傳輸研究的一個熱點。電場耦合式無線電能傳輸技術除了在安全性與中遠距離充電領域略有不足外，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勢。

1 常見應用領域

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用于很多領域，例如鐵路、電動汽車靜態充電、無人機、工程電機等。

在鐵路領域，有學者類比磁場耦合式無線電能傳輸系統中的四線圈結構，提出了一種用于電場耦合式無線電能傳輸的中繼耦合結構，在原來的磁場耦合式無線電能傳輸系統中增加兩個中繼結構，分別與發射端線圈和接收端線圈磁場耦合，而兩個中繼結構之間采用電場耦合的方式，這是因為鐵軌和地面可以作為中繼線圈的電流返回路徑，因此中繼耦合結構只需要一對金屬極板，可以有效增加耦合電容，提高系統的功率和效率。

有學者發現鐵軌的側面可以起到冷凝器的作用，因此以鐵軌構建返回路徑的傳能效果優于以輪胎構建的效果。

在電動汽車靜態充電領域，有學者利用汽車四個車輪的金屬輪圈作為接收極板，增大了耦合面積，傳輸功率達到了60W。同時該學者指出，也可以通過提高極板的電壓來增加極板間的電場強度，從而提高傳輸功率。

有學者將汽車底盤寄生電容的復雜網絡加以利用，將其轉化為阻抗匹配網絡，極大地提升了功率傳輸密度，傳輸功率近600W。2015年后，美國圣地亞哥州立大學先后提出了多種用于電動汽車充電的拓撲，效率均超過90%，也正式將電場耦合式無線電能傳輸的功率等級提升到kW級別。有學者將汽車底盤和地面等效為一對極板，與另一對額外的金屬極板共同構成耦合機構，實現了3.3kW的傳能，安全距離為0.25m，但極板電壓達到了24 720V，應當進一步考慮安全屏蔽的問題。

在無人機領域，有學者采用了補償網絡、升壓變壓器、逆變器全部置于發射端的方式，令接收端的電路僅由半導體元件等小型器件組成，降低了負載端的體積和質量，在保證不影響無人機工作的情況下傳遞了10W左右的功率，達到了與磁場耦合式無線電能傳輸系統同等的功率傳輸效果，但效率只有70%，還有待提高。

在工程電機領域，美國威斯康辛大學在2012年~ 2015年設計了諸如多層極板耦合機構、流體動力軸承耦合機構、滑動軸承耦合機構等多種新型耦合機構，但都由于技術問題未能付諸應用；該團隊又于2017年提出將電場耦合式無線電能傳輸應用到線性運動機構來替代以往的導線連接的方法，通過改造導軌滑塊的結構，使其構成多對耦合電容，并將逆變器連接到導軌上，在滑塊側連接整流電路，最終搭建了3.66MHz、111.9W 的電場耦合式無線電能傳輸系統。

2 特殊應用領域

除了常見應用領域之外，電場耦合式無線電能傳輸系統在部分特殊應用領域相對于磁場耦合式無線電能傳輸系統具有明顯優勢，例如水下無線充電領域、動態無線充電領域、醫療設備和旋轉類設備的無線充電領域等。

水作為傳輸介質時，耦合機構會同時產生導電損耗和介電損耗，因此水介質與空氣介質擁有不同的特性。

有學者的研究表明，當采用海水作為耦合介質時，極間距不會影響耦合機構的等效電容值，這是與空氣作為耦合介質的重大區別。有學者對水下電場耦合式無線電能傳輸系統的耦合機構進行改造，一對金屬極板直接暴露在海水中，另一對金屬極板表面附著絕緣材料后再置于水下。該學者指出直接暴露在海水中的金屬極板，由于海水的導電性，可以看成是一個電阻，因此該系統可認為是雙極板電場耦合式無線電能傳輸系統，且無需嚴格的位置要求。該學者還發現系統傳輸效率與海水的離子濃度有關，但沒有給出具體的相關性。

有學者研究表明當頻率在200MHz以下時，淡水的導電損耗在整體損耗中占主導地位，而頻率高于200MHz時，介電損耗占主導。有學者在其基礎上發現，水下電場耦合式無線電能傳輸系統傳能效率主要取決于耦合機構的耦合系數k與空載水介質的品質因數Q的乘積，因此該文獻提出了一種能夠提升系統kQ的設計方法，從而提升了系統效率。有學者提出了一種帶緩沖阻尼器的新型耦合機構設計方法，在20mm的傳輸距離下，輸出1kW的功率，效率可以達到90%。

在動態無線充電應用中，磁場耦合式無線電能傳輸系統需要在很長一段距離上全程鋪設高頻利茲線圈以激發磁場，損耗和成本很高，而電場耦合式無線電能傳輸系統僅需要采用廉價的金屬極板，其損耗低、成本低。

有學者提出了一種F型補償拓撲，可以有效抑制接收端移除引起的逆變器開關管電壓電流沖擊，保證發射端在空載時能自動進入待機狀態。有學者提出了一種利用耦合電容作為虛擬開關的“接收控制”型混合耦合機構，實現了接收端移開時，發射端不產生空載損耗及漏磁輻射，系統最大輸出功率為 120W，最高效率達 81.42%。有學者利用雙極板結構電場耦合式無線電能傳輸系統給電動摩托車充電，在3m長的鋁箔上實現了200W的功率輸出，但效率較低，還有待進一步改進。

電場耦合式無線電能傳輸的金屬極板尺寸最小可以做到μm級，相比線圈更方便嵌入人體，而且它不會在醫療設備的金屬表面產生渦流，也避免了對生物組織造成的熱傷害，其電磁干擾小，對其他醫療設備的正常工作也不會造成干擾，因此電場耦合式無線電能傳輸系統在植入式醫療設備領域極具應用價值。

有學者首創性地將極板嵌入人體內，完成了對嵌入式醫療設備的充電。有學者創新性地提出將皮膚作為耦合介質以增大傳能效率，最終實現了為1mm2大小、厚度5cm的植入設備無線充電，充電功率約為0.5mW，充電效率為0.39 %，雖然功率與效率都很低，但證明了這種方式的可行性。

有學者通過在生物體內外放入耦合極板來形成耦合電容，實現為36 cm2大小、厚度2cm的植入設備充電，傳輸功率為100mW，效率在40%左右；同時該學者也發現，因為人體組織電阻率較低，對電場有較強的衰減和屏蔽效果，所以效率比常規無線電能傳輸系統要低很多。

有學者以猴子作為實驗對象，研究了基于柔性電極的植入式設備電場耦合式無線電能傳輸系統，耦合面積為4cm2、傳輸深度為7mm、傳輸功率為120mW、傳輸效率超過50%。此外，研究人員還發現經由身體組織的電場耦合式無線電能傳輸系統的最佳工作頻率在100~200MHz之間，但是該研究要求人體內的接收極板與體外發射極板必須正對，限制了其靈活性。

目前向可旋轉部件供電的方式大多是通過“集電-電刷”方式，這種電能供給方式不僅會產生比較強的電磁干擾影響傳感，而且長久工作狀態下容易導致電刷損壞，如果采用磁場耦合式無線電能傳輸系統，又會產生復雜的線圈纏線問題，因此采用電場耦合式無線電能傳輸系統成為最優的解決方案。

有學者首先提出了能夠應用于旋轉類設備的圓盤式與圓筒式兩種耦合結構，對比發現圓筒式結構的耦合電容值比圓盤式要高；有學者將空氣動力流體軸承應用到旋轉電容器結構，通過最小化電容分離距離，最大化相對面積，保證靜止與運動表面之間的電容耦合最大化，通過不同規格的流體軸承設計可以令耦合電容比平板式結構大100倍。

圖1總結了目前電場耦合式無線電能傳輸系統的主要應用場景。在大多數常見應用領域中，電場耦合式無線電能傳輸系統與磁場耦合式無線電能傳輸系統具有同樣的效果，可進行等量替代，而在部分特殊應用領域中，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勢。因此，研究電場耦合式無線電能傳輸系統勢在必行。

圖1 應用場景