电场耦合式无线电能传输技术的研究综述

电场耦合式无线电能传输（ECPT）是一种通过金属极板之间的耦合电容实现能量无线传输的技术，以其良好的传能特性、不产生涡流、成本低、损耗低等优点获得了广泛的关注，成为当下无线电能传输研究的一个热点。华南理工大学电力学院的研究人员于宙、肖文勋、张波、丘东元，在2022年第5期《电工技术学报》上撰文，介绍ECPT技术的发展历程和基本原理；然后对近年来国内外ECPT技术的研究成果进行分析和系统综述，具体论述ECPT的耦合机构、电路结构、系统控制、电磁安全、电场与磁场混合耦合等方面的各种技术的特性、改进过程、适用场合和存在的问题，并总结了适用于不同应用场景的ECPT技术；最后对未来研究方向进行展望。

近年来，随着科技的发展和社会的进步，无线电能传输（Wireless Power Transmission, WPT）正在逐渐走入人们的生活，并且已经连续两年被世界经济论坛（World Economic Forum,WEF）列为对世界影响最大、最有可能为全球面临的挑战提供答案的十大新兴技术之一，具有很强的潜力。

根据传输原理，无线电能传输可以分为近场的电场耦合式无线电能传输（Electric-field Coupled Wireless Power Transmission, ECPT）与磁场耦合式无线电能传输（Magnetic-field Coupled Wireless Power Transmission, MCPT），以及远场的电磁辐射式无线电能传输（Electromagnetic Radiant Wireless Power Transmission, ERPT）。其中，电场耦合式无线电能传输又称电容耦合式电能传输（Capacitively Coupled Power Transmission, CCPT）、或电容式电能传输（Capacitive Power Transmission, CPT），是一种通过电场进行无线电能传输的方式。

在高频交变电流的作用下，耦合机构的发射极板与接收极板间形成交互电场，继而产生位移电流，从而实现无线电能传输。典型ECPT系统结构如图1a所示，由高频逆变器、补偿网络、耦合机构、整流电路和负载五部分组成。图中的耦合机构是最常见的平板式四极板结构，其中P1和P2为发射端极板，P3和P4为接收端极板，并且P1和P3为一对极板，用于从发射端向接收端传输能量，P2和P4为一对极板，用于构建能量从接收端到发射端的返回路径，后面的图中若无特殊标注则均采用此种排列组合方式。

典型MCPT系统如图1b所示，对比图1a、图1b可以发现，ECPT系统的电路结构与MCPT系统结构类似，唯一不同点是耦合机构，磁场耦合式通常采用的是由高频利兹线绕制成的线圈，而电场耦合式采用的大多为金属极板。

图1 典型WPT系统结构

相比于MCPT，ECPT具有众多优势，具体对比见表1。从表中可以看出，ECPT系统除了在安全性与中远距离充电领域略有不足外，在其他方面相较于MCPT均具有明显优势。

表1 MCPT与ECPT对比

ECPT的基本概念最早由尼古拉?特斯拉于20世纪末提出，但限于当时的科技水平，该技术并未获得更进一步的发展；1966年美国电气工程师C. Paul开发了水下ECPT系统，但效率非常低，仅验证了其可行性；随后ECPT系统的研究进入空窗期，直到2008年新西兰奥克兰大学的A. P. Hu教授成功将其应用于足球机器人的充电上，才将ECPT重新拉回大众视野。

但由于后续研究主要集中在短距离小功率领域，与MCPT系统差距较大，因此也没有引起广泛关注；2014年美国威斯康辛大学的Ludois博士从理论上证明ECPT系统输出能够达到kW级；2015年圣地亚哥州立大学的Chris Mi教授团队在传输距离为15cm的情况下实现了kW级别的功率传输，并将其成功应用在电动汽车的充电上，才正式掀起了ECPT研究的热潮。

现有研究表明，制约ECPT发展的主要因素有三点：

一是 耦合机构的设计 ，这是因为耦合电容受距离等参数影响严重，系统对耦合电容值的变化敏感，需要设计良好的耦合机构，保证耦合电容值稳定。
二是 电路结构的设计 ，为了降低极板损耗，需要利用升压补偿网络将极板电压升至较高的水平，从而降低极板电流；
此外，与MCPT系统类似，高频逆变器等其他电路结构和系统控制策略的设计也至关重要，需要设计高效高稳定性的电路结构，并针对具体应用进行优化。
三是 安全屏蔽问题 ，这是由于极板电压过高，金属极板之间存在高电压感应电场，有误触或泄露的风险，因此如何做好电场屏蔽，保证电磁安全是当下最亟待解决的问题。

针对以上三个问题，近年来，国内外学者进行了大量研究，但目前尚未有学者对这些研究成果进行系统地总结。为此，华南理工大学电力学院的研究人员对ECPT的耦合机构、电路结构、系统控制、电磁安全、电场与磁场混合耦合和应用场景六个方面进行系统地分析与综述，以期为ECPT技术的研究与应用提供参考。

1 电场耦合机构

电场耦合机构是发射端与接收端能量耦合的关键元件，耦合机构的特性直接影响ECPT系统的传输性能，因此设计良好的耦合机构就成为研究ECPT系统的关键性问题。近年来国内外的学者主要通过三方面展开研究：一是使耦合机构等效电容值更大，以提高无线传输的能量或距离；二是研究不同结构的金属极板，以适应不同的应用场景；三是推导各耦合机构相对应的电容等效模型，以便后续电路建模与设计。

电场耦合机构应当根据应用场景的要求，结合实际情况进行设计，例如根据传能距离的要求选择不同的设计思路；根据负载应用的要求选择不同结构的极板；根据研究的侧向重点选择不同的电容等效模型等。可以看出，电场耦合机构的研究还不够完备，缺乏统一的设计方法和电容等效模型，追求更大的耦合电容值，适用于不同应用场景的极板结构以及更精确的电容等效模型，仍然是未来研究的重点方向。

2 电路结构

经过近年的研究，补偿网络的设计已经趋于成熟，尤其是无源补偿领域，可应用的补偿网络多种多样，输出功率大多可以达到1kW以上，输出效率大多超过80%，基本能够满足所有应用场合的需要。由于不同的补偿网络具有不同的特性，在设计实际电路时，应当根据想要实现的具体功能选择相应的补偿网络，根据具体应用场景优化补偿网络的调谐参数，以便达到最优性能。

3 系统控制

对ECPT的系统控制研究还较为薄弱。系统建模方法是系统稳态特性和动态特性分析的基础，优化控制策略则又是系统特性的保障，能量与信号并行传输技术是未来研究的重要方向。因此，有必要对ECPT的系统控制开展进一步的研究。

4 电磁安全性研究

目前ECPT系统安全性问题主要有两个：一是极板本身存在高电压，误触有可能引起危险；二是极板之间存在高感应电场，可能会导致电场泄露引起危险。电磁暴露关系到人体的健康，尤其是电场泄露会直接引起人体电神经信号的紊乱，相对于磁场泄露危险性更大，这是电场耦合目前尚未被广泛应用的主要原因。近年来，国内外高校和研究机构均在加紧该方面的研究，以便尽快将其推入市场。

虽然对于ECPT系统的电磁安全性问题已经有一定的研究，但是仍无法完全避免其安全隐患。电磁安全性问题仍然是阻碍ECPT推广应用、进入市场的关键性问题。在后续的研究中，应当致力于寻找既能保证绝缘又能提供高介电常数、低介质损耗的耦合介质，设计更加安全可靠的电场屏蔽措施等。

5 电场与磁场混合耦合技术

目前对ECPT系统的研究还处于起步状态，而MCPT系统已经趋于成熟，因此部分学者将目光放在了将二者结合的方向上。

基于电场与磁场混合耦合技术的无线电能传输系统有着能够减少谐振元件、减少装置体积、功能互补等多种优点，能够充分利用两种传输方式的优势，取长补短，从而获得更好的传能性能。但将两者结合过程中也不可避免地出现一些问题，例如功率分配不均、相互干扰导致效率下降等等。研发高功率密度、高效率的电场与磁场混合耦合技术将会是接下来的热点研究方向之一。

6 应用场景

与MCPT类似，ECPT同样可以应用于很多领域，例如铁路、电动汽车静态充电、无人机、工程电机等。除了常见应用领域之外，ECPT系统在部分特殊应用领域相对于MCPT系统具有明显优势，例如水下无线充电领域、动态无线充电领域、医疗设备和旋转类设备的无线充电领域等。

在大多数常见应用领域中，ECPT系统与MCPT系统具有同样的效果，可进行等量替代，而在部分特殊应用领域中，ECPT拥有比MCPT明显的优势。因此，研究ECPT系统势在必行。

研究人员最后指出，目前ECPT技术的研究正处在攻坚克难的关键阶段，仍需进一步完善和应用现有理论，争取原理上的创新与突破。在未来的研究中，可以考虑将研究重点放在以下两个方面：

一是 解决ECPT实际应用的难题 ，例如研究双极板结构ECPT系统以减小装置体积，研究ECPT系统的优化控制算法以增强系统稳定性或者是寻求更安全可靠的屏蔽措施以避免电场逃逸等安全隐患；
二是 将已经成熟应用到MCPT系统上的技术类比应用到ECPT系统上 ，例如研发高功率密度、高效率的电场与磁场混合耦合技术或将宇称时间对称技术、分数阶技术等新型无线电能传输技术，并将其应用到ECPT系统中以提升系统性能等。

本文编自2022年第5期《电工技术学报》，论文标题为“电场耦合式无线电能传输技术的发展现状”，作者为于宙、肖文勋等。第一作者为于宙，硕士研究生；通讯作者为肖文勋，副教授，硕士生导师，研究方向为无线电能传输机理及其应用。本课题得到了国家自然科学基金重点项目、广东省基础与应用基础研究基金、中央高校基本科研业务费专项资金和“攀登计划”广东大学生科技创新培育专项资金的资助。