重庆大学科研人员发表电场耦合无线电能传输技术的研究综述

来源：电气技术　2022-03-11 08:10:11

近年来，电场耦合无线电能传输（EC-WPT）技术迅速发展，在传输功率和传输距离上有了数量级的提升。重庆大学自动化学院、无线电能传输技术国际联合研究中心的研究人员卿晓东、苏玉刚，在2021年第17期《电工技术学报》上撰文，总结了国内外相关文献中关于EC-WPT技术的概念，简要介绍了EC-WPT系统的基本工作原理，论述了EC-WPT技术在系统建模、电场耦合机构、高频功率变换器、谐振网络、控制方法、电能与信号并行传输方面有指导价值的理论研究成果，分析了EC-WPT技术在消费电子、植入式医疗设备、工业制造、电动汽车、水下设备领域的应用，重点围绕单电容无线电能传输、跨越金属传能、电场耦合机构损耗模型、磁场耦合与电场耦合混合型WPT系统、安全问题五个方面阐述和讨论了EC-WPT技术未来值得关注的研究方向。

无线电能传输（Wireless Power Transfer， WPT）技术是指综合应用电工理论、电力电子技术、控制理论，利用磁场、电场、微波等实现电能从电网或电池以非电气接触的方式传输至用电设备的技术。该技术可以有效地解决传统有线取电方式引起的设备灵活性受限和安全隐患的问题。也正是由于无线电能传输技术的创新性和应用潜力，该技术在2012年、2013年连续两年被世界经济论坛评为对未来人类生活方式产生重大影响的“十大新兴技术”之一。

目前，无线电能传输系统主要可以分为磁耦合无线电能传输（Magnetic Coupling Wireless Power Transfer, MC-WPT）、电场耦合无线电能传输（Electric-field Coupling Wireless Power Transfer, EC-WPT）、激光无线电能传输（Optical Power Transfer, OPT）、微波无线电能传输（Microwave Power Transfer, MPT）、超声波无线电能传输（Ultrasonic Power Transfer, UPT）系统等。

其中，磁耦合无线电能传输技术发展较为成熟，应用也最为广泛。由于电场在许多特性上与磁场相似，而且两者在基本理论上呈现出对偶性，以电场为传输媒介的电场耦合无线电能传输技术也日益吸引了来自国内外学者的高度关注。

目前，主要有来自新西兰奥克兰大学，美国威斯康辛大学、圣地亚哥州立大学、康奈尔大学，加拿大阿尔伯塔大学，日本宇都宫大学，韩国大邱大学，蔚山大学和英国布鲁尔大学等海外研究机构的学者，以及大连理工大学、西南交通大学、昆明理工大学、华南理工大学、中国矿业大学和重庆大学的研究团队针对EC-WPT技术的各个领域开展研究。

图1 EC-WPT系统的典型结构

在国内外的相关文献中，电场耦合无线电能传输技术同时还被称为电容式电能传输（Capacitive Power Transfer, CPT），电容无线电能传输（Capacitive Wireless Power Transfer, CWPT），电场耦合电能传输（Electric-field Coupled Power Transfer, ECPT），电容耦合电能传输（Capacitively Coupled Power Transfer, CCPT）技术。

EC-WPT系统利用高频电场传输电能，具有以下特点：耦合机构简易轻薄、形状易变、成本低；系统整体电磁干扰（Electromagnetic Interference, EMI）较低；可以跨越金属障碍传能；在耦合机构之间或周围的金属导体上引起的涡流损耗很小。因此，研究EC-WPT技术可以与MC-WPT技术进行优势互补，进一步拓展WPT技术的应用领域。

经过近些年的发展，EC-WPT技术在传输功率、传输效率和传输距离上有了数量级的提升，从一开始近距离（约mm）、小功率（＜100W）、低效率（约80%）的系统到现在的中距离（约300mm）、中等功率(＞1000W)、中等效率（约90%）的系统，在传输距离和传输功率上已经能满足许多WPT应用的需求。

重庆大学科研人员介绍了相关文献中关于EC-WPT技术的概念，阐述了EC-WPT系统的基本工作原理，论述了EC-WPT技术的系统建模、耦合机构、高频功率变换器、谐振网络、控制方法和电能信号并行传输等相关理论研究，以及该技术在消费电子、植入式医疗装置、工业制造、电动汽车和水下设备等领域的应用情况。

科研人员重点围绕单电容无线电能传输、跨越金属传能、电容耦合机构损耗模型、磁场耦合与电场耦合混合型WPT系统、安全问题五个方面进行展望并讨论EC-WPT技术未来值得关注的研究方向。

1 单电容无线电能传输

目前的EC-WPT系统研究中，耦合机构需要两对金属极板构成完整的电气回路，将电能从发射端传输到接收端，而两对耦合极板往往会引起以下问题：

①多块耦合极板的交叉耦合随着耦合距离增加会更加显著，这在增加系统复杂度的同时影响电能传输；②当金属障碍物横跨两对耦合极板的耦合区时，系统难以实现穿越金属障碍传能；③平行式耦合机构所占空间较大、层叠式耦合机构设计复杂等。

近年来，国内外研究学者在EC-WPT系统的实验中偶然发现，仅用一对金属极板时仍然能传输电能，其简化电路如图2所示。需要说明的是，单电容EC-WPT系统电能发射端往往是固定的，一些情况电能发射端可以连接大地以提升系统传输功率和效率。单电容EC-WPT系统的电能发射端和接收端仅采用一块金属极板作为电极，能很好地解决两对耦合极板引起的问题，因此单电容EC-WPT系统的耦合机构更加简单灵活、系统更易跨越金属传能。

图2 单电容无线电能传输系统简化电路

相比于传统EC-WPT系统，单电容耦合无线电能传输系统在拓扑形式上没有一个完整的电气回路，所以适用于传统EC-WPT系统中的分析方法无法直接应用于单电容耦合WPT系统的建模与分析中。目前已有少量参考文献对单电容无线电能传输系统开展了研究，但目前尚未得到理论与实验完全相符的结果。诠释单电容耦合WPT系统的传输机理是系统所有研究工作的首要前提，有必要对其电能传输机理进行深入剖析。

单电容耦合无线电能传输是EC-WPT技术的重要分支，研究和推动单电容耦合WPT技术的应用与发展，将有利于拓展和促进电场耦合无线电能传输相关理论与技术的进步。

2 跨越金属传能

众所周知，电场耦合无线电能传输技术可以实现跨越金属传能，然而纵观EC-WPT的研究却少有这方面的研究成果。金属障碍如图3a所示，金属障碍在处于其中一对耦合极板之间时，金属障碍足够小时几乎不影响系统的传输性能，因此EC-WPT系统能够实现跨域金属传能。

然而，当出现以下情形时：①金属障碍跨越平行式耦合机构的两对耦合极板，如图3b所示；②金属障碍尺寸大于耦合极板尺寸且接地，如图3c所示；③金属障碍大于层叠式耦合机构的尺寸，如图3d所示；系统发射极板和接收极板间的电场分布可能被金属障碍影响或者阻断，EC-WPT系统的电能传输会受到很大的影响乃至于不能传输电能。

图3 金属障碍在耦合机构中间的不同形式

围绕EC-WPT系统跨越金属传能只有很少量的研究，有学者提出一种结合电场耦合与磁场耦合的方法实现跨越金属障碍传能，利用电场耦合在金属障碍中产生高频交流电，从而通过磁场耦合传输电能。此外，金属障碍与EC-WPT系统之间存在耦合电容，当这些电容不能忽略时会影响系统传输性能。

综上所述，研究电场耦合机构中存在金属障碍的电场密度分布，确定EC-WPT系统可以跨越金属障碍传能的边界，对EC-WPT系统的理论研究及应用是极为重要的。在可跨越金属传能的边界内，研究金属障碍的几何参量（空间位置、尺寸）对系统传输性能的影响规律，从而指导耦合机构优化设计和系统控制。

3 电容耦合机构损耗模型

经过近些年的发展，EC-WPT系统能达到90%左右的传输效率，基本满足部分WPT应用的需要。然而，相较于MC-WPT系统，EC-WPT系统的传输效率还待提升。对于MC-WPT和EC-WPT系统而言，损耗可以分为电力电子器件损耗、耦合机构损耗及谐振元件导通损耗，其中电力电子器件损耗和谐振元件导通损耗在MC-WPT中都有相对完善的分析方法和解决方案。

然而，EC-WPT系统的耦合机构与MC-WPT系统不同，现有的耦合机构损耗分析只是两电容模型的等效串联电阻，该方法忽略了交叉耦合电容只适用于紧耦合的平行式耦合机构，不适用于松耦合的平行式和层叠式耦合机构。此外，多数采用层叠式耦合机构的文献在理论分析中回避了耦合机构的损耗分析，仅从实验的角度给出了实验损耗。

综上分析，当前EC-WPT系统缺乏电场耦合机构损耗模型的研究。因此，研究耦合机构的特征参量（电磁率、电导率、频率等）、几何参量（尺寸、距离等）对极板上的电流密度分布和耦合机构损耗的影响，进而建立耦合机构的损耗模型，从而指导EC-WPT系统耦合机构设计，为系统效率优化提供基础。

4 磁场耦合与电场耦合混合型WPT系统

MC-WPT与EC-WPT技术是无线电能传输技术中相对成熟的两类，它们有各自的优点并在很大程度可以进行优势互补。近年来，国内外学者提出了磁场耦合与电场耦合混合型WPT系统，能够充分利用MC-WPT系统与EC-WPT系统的优势，从而更好地将能量从电能发射端传输至接收端，是今后研究中可以重点关注的研究方向。

从目前的研究成果来看，磁场耦合与电场耦合混合WPT系统主要用以实现目标：①提升系统传输功率，有学者提出了一种混合型磁场耦合与电场耦合WPT系统，可以实现更高的系统传输功率，其实验装置如图4a所示；②电能与信号并行传输，有学者构建了一种混合型WPT系统，并利用线圈的寄生电容构建信号传输回路，其系统拓扑如图4b所示。此外，有学者结合电场耦合与磁场耦合实现跨越金属障碍传能。

图4 磁场耦合与电场耦合混合型WPT系统

然而，作为一个新兴的研究方向，混合型WPT系统在存在一些问题亟待研究和解决，包括且不仅限于：

（1）耦合机构优化设计，磁场耦合机构与电场耦合机构同时存在，增加了耦合机构所占空间，使得系统更加笨重。因此，优化设计融合式的混合耦合机构，使得耦合机构所占空间增大不明显，并能有效利用电场耦合机构屏蔽磁场辐射。

（2）传输通道并行与分离控制，混合型WPT系统存在电场传能与磁场传能两个能量通道，可以有多种能量传输模式。研究传输通道的并行与分离控制，以满足不同的应用需求。

5 安全问题

安全问题一直是WPT技术的一个重要问题，它正成为WPT技术产业化推进中的主要制约因素。微波无线电能传输和激光无线电能传输技术在传输通道上极具破坏性，有很大的安全隐患，暂时只适用于特殊领域。磁耦合无线电能传输技术主要有电磁场辐射和涡流损耗等问题，因此需要额外采取电磁屏蔽和异物检测等技术解决以保证系统的安全性。由于电场耦合无线电能传输技术采用金属极板作为电极，用高频电场作为传输介质，因此EC-WPT技术在安全性上存在其特殊性。

随着EC-WPT技术的发展，其传输功率和传输距离有了很大的提升，而大功率系统的耦合电极的电压可达几千伏乃至上万伏，因此存在安全隐患。系统的耦合电极可以通过附加绝缘和封装处理以防止触电，然而耦合机构的电场会在周围的金属体上产生分布电压，人体在触碰金属体时可能会有触电风险。有学者基于人体阻抗模型建立了人体接触EC-WPT系统耦合机构周围金属导体的等效模型，有效地从安全角度指导EC-WPT系统的设计，其等效模型如图5a所示。

图5 EC-WPT系统安全问题研究

对于EC-WPT系统应用而言，电场辐射必须被限制在安全范围内，以免造成人体伤害。有学者采用外加金属极板对电场进行屏蔽，其电场分布如图5b所示。但是额外增加的屏蔽板使得耦合机构体积变大，此外额外增加的极板会影响耦合电容，使得系统耦合机构设计更加复杂。有学者将层叠式耦合机构的低压极板置于外侧、高压极板置于内侧，从而有效地利用低压极板降低电场辐射，但是低压极板也是相对于高压极板而言的，该方法只能在一定程度上降低电场辐射。

安全是无线电能传输技术走向成熟应用的首要前提，研究解决EC-WPT系统的电场辐射、触电风险、异物问题，是EC-WPT技术发展的关键一步。