近年來，隨著科技的發展和社會的進步，無線電能傳輸（Wireless Power Transmission, WPT）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（World Economic Forum,WEF）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）。

其中，電場耦合式無線電能傳輸又稱電容耦合式電能傳輸（CCPT）或電容式電能傳輸（CPT），是一種通過電場進行無線電能傳輸的方式。

在高頻交變電流的作用下，耦合機構的發射極板與接收極板間形成交互電場，繼而產生位移電流，從而實現無線電能傳輸。典型電場耦合式無線電能傳輸系統結構如圖1a所示，由高頻逆變器、補償網絡、耦合機構、整流電路和負載五部分組成。圖中的耦合機構是最常見的平板式四極板結構，其中P1和P2為發射端極板，P3和P4為接收端極板，并且P1和P3為一對極板，用于從發射端向接收端傳輸能量，P2和P4為一對極板，用于構建能量從接收端到發射端的返回路徑，后面的圖中若無特殊標注則均采用此種排列組合方式。

典型電場耦合式無線電能傳輸系統如圖1b所示，對比圖1a、圖1b可以發現，電場耦合式無線電能傳輸系統的電路結構與磁場耦合式無線電能傳輸系統結構類似，唯一不同點是耦合機構，磁場耦合式通常采用的是由高頻利茲線繞制成的線圈，而電場耦合式采用的大多為金屬極板。

圖1 典型WPT系統結構

相比于磁場耦合式無線電能傳輸，電場耦合式無線電能傳輸具有眾多優勢，具體對比見表1。從表中可以看出，電場耦合式無線電能傳輸系統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。

表1 MCPT與ECPT對比

電場耦合式無線電能傳輸的基本概念最早由尼古拉?特斯拉于20世紀末提出，但限于當時的科技水平，該技術并未獲得更進一步的發展；1966年美國電氣工程師C. Paul開發了水下電場耦合式無線電能傳輸系統，但效率非常低，僅驗證了其可行性；隨后電場耦合式無線電能傳輸系統的研究進入空窗期，直到2008年新西蘭奧克蘭大學的A. P. Hu教授成功將其應用于足球機器人的充電上，才將電場耦合式無線電能傳輸重新拉回大眾視野。

但由于后續研究主要集中在短距離小功率領域，與磁場耦合式無線電能傳輸系統差距較大，因此也沒有引起廣泛關注；2014年美國威斯康辛大學的Ludois博士從理論上證明電場耦合式無線電能傳輸系統輸出能夠達到kW級；2015年圣地亞哥州立大學的Chris Mi教授團隊在傳輸距離為15cm的情況下實現了kW級別的功率傳輸，并將其成功應用在電動汽車的充電上，才正式掀起了電場耦合式無線電能傳輸研究的熱潮。

現有研究表明，制約電場耦合式無線電能傳輸發展的主要因素有三點：

• 一是耦合機構的設計，這是因為耦合電容受距離等參數影響嚴重，系統對耦合電容值的變化敏感，需要設計良好的耦合機構，保證耦合電容值穩定。
• 二是電路結構的設計，為了降低極板損耗，需要利用升壓補償網絡將極板電壓升至較高的水平，從而降低極板電流；此外，與磁場耦合式無線電能傳輸系統類似，高頻逆變器等其他電路結構和系統控制策略的設計也至關重要，需要設計高效高穩定性的電路結構，并針對具體應用進行優化。
• 三是安全屏蔽問題，這是由于極板電壓過高，金屬極板之間存在高電壓感應電場，有誤觸或泄露的風險，因此如何做好電場屏蔽，保證電磁安全是當下最亟待解決的問題。

針對以上三個問題，近年來，國內外學者進行了大量研究，但目前尚未有學者對這些研究成果進行系統地總結。為此，華南理工大學電力學院的研究人員對電場耦合式無線電能傳輸的耦合機構、電路結構、系統控制、電磁安全、電場與磁場混合耦合和應用場景六個方面進行系統地分析與綜述，以期為電場耦合式無線電能傳輸技術的研究與應用提供參考。

1 電場耦合機構

電場耦合機構是發射端與接收端能量耦合的關鍵元件，耦合機構的特性直接影響電場耦合式無線電能傳輸系統的傳輸性能，因此設計良好的耦合機構就成為研究電場耦合式無線電能傳輸系統的關鍵性問題。

近年來國內外的學者主要通過三方面展開研究：一是使耦合機構等效電容值更大，以提高無線傳輸的能量或距離；二是研究不同結構的金屬極板，以適應不同的應用場景；三是推導各耦合機構相對應的電容等效模型，以便后續電路建模與設計。

電場耦合機構應當根據應用場景的要求，結合實際情況進行設計，例如根據傳能距離的要求選擇不同的設計思路；根據負載應用的要求選擇不同結構的極板；根據研究的側向重點選擇不同的電容等效模型等。

可以看出，電場耦合機構的研究還不夠完備，缺乏統一的設計方法和電容等效模型，追求更大的耦合電容值，適用于不同應用場景的極板結構以及更精確的電容等效模型，仍然是未來研究的重點方向。

2 電路結構

經過近年的研究，補償網絡的設計已經趨于成熟，尤其是無源補償領域，可應用的補償網絡多種多樣，輸出功率大多可以達到1kW以上，輸出效率大多超過80%，基本能夠滿足所有應用場合的需要。由于不同的補償網絡具有不同的特性，在設計實際電路時，應當根據想要實現的具體功能選擇相應的補償網絡，根據具體應用場景優化補償網絡的調諧參數，以便達到最優性能。

3 系統控制

對電場耦合式無線電能傳輸的系統控制研究還較為薄弱。系統建模方法是系統穩態特性和動態特性分析的基礎，優化控制策略則又是系統特性的保障，能量與信號并行傳輸技術是未來研究的重要方向。因此，有必要對電場耦合式無線電能傳輸的系統控制開展進一步的研究。

4 電磁安全性研究

目前電場耦合式無線電能傳輸系統安全性問題主要有兩個：一是極板本身存在高電壓，誤觸有可能引起危險；二是極板之間存在高感應電場，可能會導致電場泄露引起危險。電磁暴露關系到人體的健康，尤其是電場泄露會直接引起人體電神經信號的紊亂，相對于磁場泄露危險性更大，這是電場耦合目前尚未被廣泛應用的主要原因。近年來，國內外高校和研究機構均在加緊該方面的研究，以便盡快將其推入市場。

雖然對于電場耦合式無線電能傳輸系統的電磁安全性問題已經有一定的研究，但是仍無法完全避免其安全隱患。電磁安全性問題仍然是阻礙電場耦合式無線電能傳輸推廣應用、進入市場的關鍵性問題。在后續的研究中，應當致力于尋找既能保證絕緣又能提供高介電常數、低介質損耗的耦合介質，設計更加安全可靠的電場屏蔽措施等。

5 電場與磁場混合耦合技術

目前對電場耦合式無線電能傳輸系統的研究還處于起步狀態，而磁場耦合式無線電能傳輸系統已經趨于成熟，因此部分學者將目光放在了將二者結合的方向上。

基于電場與磁場混合耦合技術的無線電能傳輸系統有著能夠減少諧振元件、減少裝置體積、功能互補等多種優點，能夠充分利用兩種傳輸方式的優勢，取長補短，從而獲得更好的傳能性能。但將兩者結合過程中也不可避免地出現一些問題，例如功率分配不均、相互干擾導致效率下降等等。研發高功率密度、高效率的電場與磁場混合耦合技術將會是接下來的熱點研究方向之一。

6 應用場景

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。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。

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。

研究人員最后指出，目前電場耦合式無線電能傳輸技術的研究正處在攻堅克難的關鍵階段，仍需進一步完善和應用現有理論，爭取原理上的創新與突破。在未來的研究中，可以考慮將研究重點放在以下兩個方面：

一是解決電場耦合式無線電能傳輸實際應用的難題，例如研究雙極板結構電場耦合式無線電能傳輸系統以減小裝置體積，研究電場耦合式無線電能傳輸系統的優化控制算法以增強系統穩定性或者是尋求更安全可靠的屏蔽措施以避免電場逃逸等安全隱患；

二是將已經成熟應用到磁場耦合式無線電能傳輸系統上的技術類比應用到電場耦合式無線電能傳輸系統上，例如研發高功率密度、高效率的電場與磁場混合耦合技術或將宇稱時間對稱技術、分數階技術等新型無線電能傳輸技術，并將其應用到電場耦合式無線電能傳輸系統中以提升系統性能等。

本文編自2022年第5期《電工技術學報》，論文標題為“電場耦合式無線電能傳輸技術的發展現狀”，作者為于宙、肖文勛 等。第一作者為于宙，碩士研究生；通訊作者為肖文勛，副教授，碩士生導師，研究方向為無線電能傳輸機理及其應用。本課題得到了國家自然科學基金重點項目、廣東省基礎與應用基礎研究基金、中央高校基本科研業務費專項資金和“攀登計劃”廣東大學生科技創新培育專項資金的資助。