电场耦合无线电能传输技术综述

卿晓东 苏玉刚,2

（1. 重庆大学自动化学院 重庆 400030 2. 无线电能传输技术国际联合研究中心 重庆 400030）

0 引言

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[1-3]。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[4]。

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）[5-6]、电场耦合无线电能传输（Electric-field Coupling Wireless Power Transfer, ECWPT）[7-8]、激光无线电能传输（Optical Power Transfer, OPT）[9]、微波无线电能传输（Microwave Power Transfer, MPT）[10]、超声波无线电能传输（Ultrasonic Power Transfer, UPT）[11]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。

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）[12-13]，电容无线电能传输（Capacitive Wireless Power Transfer, CWPT）[14-15]，电场耦合电能传输（Electric-field Coupled Power Transfer, ECPT）[16-17]，电 容 耦 合 电 能 传 输（Capacitively Coupled Power Transfer, CCPT）[8,18]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[19-20]。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[7,17,21-22]，到现在的中距离（约300mm）、中等功率(＞1 000W)、中等效率（约90%）的系统[23-25]，在传输距离和传输功率上已经能满足许多WPT应用的需求。

本文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，并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 EC-WPT系统基本工作原理

典型的EC-WPT系统结构如图1所示，它包含电源、高频逆变器、电能发射端谐振网络、耦合机构、电能接收端谐振网络、整流滤波器和负载。其中，发射极板和接收极板间形成耦合电场，用于传输电能。EC-WPT系统电源可以由交流市电经整流滤波后提供，也可以由直流电源直接提供。高频逆变器将直流电转换成高频交流电供给谐振网络，电能发射端谐振网络为耦合机构提供高频高压的激励。耦合机构在高频高压的交流电激励下产生“位移电流”，电能从系统发射端传输到接收端。而系统接收端的谐振网络将接受到的电能转换为所需要的输出电压/电流。整流滤波器将交流电转换成直流电供给负载。

图1 EC-WPT系统的典型结构Fig.1 Typical structure of a EC-WPT sys tem

采用基波近似法分析电路，典型的EC-WPT系统可以简化为如图2所示的等效电路[26]。其中，耦合机构被等效为π型电路。以发射端极板的激励电压1V˙作为参考相量，且定义2V˙和1V˙之间的相位差为θ。根据基尔霍夫电压定律，π型模型中的电压电流的关系可以表示为

图2 EC-WPT系统的等效电路Fig. 2 Equivalent circuit of a EC-WPT system

式中，ω为系统开关角频率；C1和C2为耦合机构的自容；CM为耦合机构的互容[27]。因此，由电能发射端获取的视在功率S1和注入电能接收端的视在功率S2可以分别表示为

式中，*代表共轭相量。

根据式（2），视在功率Si可以分解为有功功率Pi和无功功率iQ，即

根据式（3）可知，从电能发射端谐振网络获得的有功功率P1和注入电能接收端谐振网络的有功功率P2是相等的。根据式（3），从电能发射端谐振网络获得的无功功率和注入电能接收端谐振网络的无功功率分别为Q1和Q2，则耦合机构中的无功功率 CQ和互容CM的无功功率 MQ可以表示为

结合式（3）和式（4）可以看出，系统的传输有功功率与激励电压幅值V1和V2、驱动角频率ω、互容CM成正比，并且系统传输有功功率的最大值Pmax在sinθ=1处取得。值得注意的是，在sinθ=1时耦合机构的无功功率 CQ却并非最小值；在cosθ=1时无功功率 CQ取最小值，系统传输有功功率为零。

2 EC-WPT系统理论研究

纵观EC-WPT技术的理论研究，目前国内外学者主要是针对系统建模、电场耦合机构、高频功率变换器、谐振网络、控制方法和电能信号并行传输等方面开展研究，下面将从这几个方面论述ECWPT系统的理论研究成果。

2.1 系统建模

EC-WPT系统在系统建模方法上与MC-WPT系统具有相似性，主要采用近似线性的等效方法来获得系统的线性时不变模型。基波近似法[28-30]属于正弦交流电路稳态分析方法，是基于系统的交流阻抗模型，可以计算系统在基波激励下的稳态响应，也可以用于分析最大功率、最大效率频率点或系统固有谐振频率。但是该方法忽略了高次谐波的影响，在分析软开关频率时具有较大的偏差。广义状态空间平均法将时域的周期信号用傅里叶级数的表达形式来描述，用共轭的低阶谐波分量来近似原始信号，通过信号重构得到原始信号的包络及其近似解，该模型可用于分析系统的稳态与暂态特性[31]。但是该方法在高阶软开关系统的应用中，基于傅里叶分量的增广系数矩阵会变得异常庞大，广义状态空间平均法变得非常繁琐和复杂。扩展频闪映射建模通过对传统频闪映射方法进行推广，结合不动点理论，可以快速精确地计算出系统所有稳态工作点，为系统设计和稳态分析提供了简便快捷的工具[21]。但是该方法主要通过数值运算来确定具体结构系统的特解，难以给出系统的一般性描述。此外，文献[32]基于分数阶理论分析电路特性，更准确地揭示电路的本质特性和动态行为。文献[33]借鉴振动学相关理论对MC-WPT建模分析，可准确得到任意架构系统中各回路电流解析表达式。对EC-WPT系统的分析，可以尝试应用耦合模理论、振动学理论、分数阶理论等对系统建模，进一步研究EC-WPT系统的本质特性和一般性描述。

2.2 电场耦合机构

EC-WPT系统的耦合机构由多块金属极板构成，耦合机构的结构和耦合情况决定了耦合电容的大小，直接影响系统的传输功率的能力。根据金属极板的相对位置，耦合机构可以主要分为平行式和层叠式两大类，且这两种结构又有多种形式，如矩形式耦合机构[17,29-31]、圆盘式耦合机构[34]、柱形式耦合机构[35-36]、矩阵式耦合机构[13,37]等，不同形式的电容耦合机构如图3所示。由于电容耦合机构的良好可塑性，耦合机构可以设计为任何形状以满足实际需求，唯一需要注意的是保证耦合面积以提高耦合电容。

图3 不同形式的电容耦合机构Fig. 3 The capacitive coupler with different type

在典型的四电极耦合机构中，耦合电极两两之间构成耦合电容，其六电容等效电路模型如图4a所示。文献[26-27]对电场耦合机构的等效模型进行了深入研究，其感应电流源模型如图4b所示。在此基础上，也可以被等效为感应电压源模型[38]，如图4c所示。而为了进一步说明EC-WPT系统电能发射端和接收端之间的联系，可以推导耦合机构的等效π模型，如图4d所示。

图4 耦合机构的等效电路Fig. 4 Equivalent circuit of the coupler

在图4a中，Cij为极板Pi与Pj之间的耦合电容。根据文献[27]，C1、C2和CM可以表示为

值得说明的有两点：①耦合机构的互容在一些情形下可能是负的，呈现出电感的特性；②对于一些平行式耦合机构，其交叉耦合电容C14、C23和寄生电容C12、C34远小于正对极板的耦合电容C13、C24，则可以选用两电容等效模型[7,19-21,39-40]。

平行式耦合机构的优点在于易于设计、形状易变，然而所占据的空间较大；层叠式耦合机构的优点在于所占空间小、可移动性较高，然而其互容很小且设计复杂。目前，围绕电场耦合机构的研究多集中于耦合机构形式和等效模型，而关于抗偏移的耦合机构设计研究较少，且缺乏耦合机构的损耗模型研究。

2.3 高频功率变换器

一个典型的EC-WPT系统中，功率变换器包含逆变器和整流器，高频逆变器将直流输入逆变为高频交流电以供给谐振网络。D类、E类、E2类、φ类等功率放大器可以实现DC-AC变换，因此可以被应用到EC-WPT系统之中[41-42]。文献[43]提出了一种用于EC-WPT系统的双E类DC-DC变换器，通过电路设计使得E类逆变器实现零电压开通（Zero Voltage Switch, ZVS）、E类整流器实现零电流关断（Zero Current Switch, ZCS）。E类放大器有高频、高效、结构简单等优点，可以实现MHz以上的工作频率，也可以实现软开关以保证系统效率。然而，其软开关运行条件比较苛刻，且开关管电压应力较高、输出功率不足。Buck-Boost、Cuk、Sepic、Zeta等斩波电路可以实现DC-DC变换，其储能电容或电感可以被适当改变以适应EC-WPT系统。文献[44]基于直流斩波电路提出了四种单有源开关的EC-WPT系统，通过实验实现了传输效率为90%、传输能量为1kW的无线电能传输。这类系统的优点在于结构简单、参数敏感度低，然而其耦合电容必须很大以保证其储能能力，而且在不采用软开关技术时在所有负载条件下均不能实现软开关[45]。桥式逆变器是EC-WPT系统应用比较广泛的功率变换器[12-13,23-26,39-40]，其中全桥逆变器具有控制策略简单、易于实现软开关、效率高、功率密度高等优点，适用中大功率应用场合；半桥式逆变器输出为桥式逆变器的一半，适用于中小功率的应用场合；推挽逆变器是将全桥逆变器两个桥臂的上管替换为直流电感，它可以通过自激振荡实现完全自治的软开关振荡[46]。

围绕EC-WPT系统的可控整流的文献较少，多数系统采用不可控整流器将交流电转换为直流电供给负载。文献[47]提出一种可变阻抗的有源整流器，通过调节有源整流器的阻抗以消除耦合机构偏移对系统输出电压的影响。文献[48]面向植入式医疗装置提出一种新型CMOS有源整流器，可以自适应宽范围的输入频率。相较于MC-WPT系统，EC-WPT系统的驱动频率更高，并且大功率和高频率仍然是逆变器设计中难以兼顾的两个因素。

2.4 谐振网络

谐振网络是EC-WPT系统的重要组成部分，在改善系统传输性能上起到了以下重要作用：①滤波，滤掉逆变器产生的高次谐波；②升压，提升逆变器的输出电压为耦合机构提供较高的激励电压，以提升系统的最大传输功率；③调谐，有助于降低系统伏安容量、实现软开关、增加系统效率；④阻抗匹配，为负载提供所需要的电压/电流，或实现系统负载无关的恒流/恒压输出。表1总结归纳了一些在EC-WPT系统中常见拓扑及其相关性能，在实际中可以根据工作场景和需求选择合适的拓扑来设计系统。文献[50]分析了串联谐振电感的不同位置对系统传输性能的影响，该结构最大的优点是结构简单。文献[46]提出了一种双侧LCLC谐振电路，用以提升系统传输效率和功率，实现了传输效率为90.6%的2.4kW功率传输。文献[7]提出了一种双侧LCL谐振电路并分析了谐振网络的参数敏感性，实现了负载无关的恒定电压输出。文献[54]提出了一种LCCLC谐振电路，使得耦合机构在一定范围内偏移时系统输出相对稳定。目前，围绕EC-WPT的谐振网络研究已有许多成果，但多是关于拓扑形式变化的研究，而关于谐振网络的参数漂移、寄生电阻（高频下更加显著）对系统传输性能的影响却少有分析。

表1 EC-WPT系统常见拓扑及其特性对比Tab.1 The common topologies and comparison of their characteristics in EC-WPT systems

2.5 控制方法

围绕EC-WPT系统的最大效率/功率跟踪、功率流控制、频率跟踪等大多采用以下几种方法实现：①附加DC-DC电路，文献[56]在系统发射端应用Buck变换器调整系统输出电压或电流，文献[57]在系统接收端应用Buck-Boost变换器跟踪系统的最大传输功率。这种方式最大的优点是简单且易于实现，但是附加DC-DC电路会带来额外的系统损耗，且需要额外的放置空间使得系统更加笨重。②移相控制，文献[58]采用基于H∞算法的移项控制实现系统耦合电容和负载变化时的输出电压恒定。但是，在移相控制中移相角越小就会带来越多的高次谐波，进而可能破坏系统的谐振状态。③调整系统工作频率，文献[52]提出一种多闭环的自适应控制方法实时跟踪系统谐振频率，使得系统在负载和耦合机构变化时一直工作在谐振状态，文献[59]提出一种基于线性二次型最优（Linear Quadratic Gaussian,LQG）控制的频率自动调节方法，使得系统在负载变化时输出电压稳定。但是，这种方法可能会造成如频率分岔等系统稳定性的问题。此外，还有采用PWM控制[31]、相控电感[13,37]、电容矩阵[40]等方式实现控制目标的方法。总的来看，围绕EC-WPT系统控制方面的研究较少，多是面向静态供电系统中的控制问题，且控制目标较为单一。

2.6 电能与信号并行传输

对于目前的EC-WPT技术应用而言，一方面，良好的WPT系统需要电能发射端和接收端进行通信来提升系统整体性能；另一方面，一些用电设备需要双端通信来与WPT系统电能发射端进行信息交互，因此电能与信号并行传输技术应运而生。无线信号传输部分按照信号加载方式的不同以及信道设计的不同又可分为能量调制式、分离信道式、共享信道式无线电能与信号并行传输。文献[18]采用振幅键控（Amplitude Shift keying, ASK）方式将信号载波加载到耦合极板两端，以共享通道的方式实现了电能与信号的并行传输，并且实现了信号的全双工传输。共享通道式存在电能传输对信号传输的串扰较大的问题，且需要权衡系统的电能增益、信号增益及电能串扰三个指标。文献[60]提出了一种分离通道式的电能与信号并行传输方法，可以有效减小电能对信号的干扰。分离通道式需要额外增加金属电极构成信号通道，限制了ECWPT系统的应用场合。文献[61]采用能量调制的方式对方波信号进行编码，以不同的占空比代表不同的码原，有效提升了信号传输速度。能量调制式信号传输速率受电能传输频率的严重限制，此外信号调制对电能传输影响较大。从目前的研究来看，电场耦合电能与信号并行传输系统的局限在于信号传输速率（最高达几百kHz），暂不能满足高速信号传输的要求。

3 EC-WPT技术的应用及发展

EC-WPT技术使得用电设备不受常规电线的限制，可以灵活、方便、安全地获取电能，正在逐渐推进到消费电子、植入式医疗设备、工业制造、电动汽车和水下应用等各个方面。

3.1 消费电子

由于消费电子受到电源线缠结和不便的困扰，WPT技术最早应用在此之上并且有着广阔的市场。目前，针对消费电子无线供电，MC-WPT技术已经逐渐成熟，已有PMA无线充电标准和Qi标准。而在EC-WPT方面，2010年日本春田制作有限公司开始将EC-WPT技术应用在日立万盛iPad2和手机WP-PD10.Bk系列上[62]，如图5a和图5b所示。2014年韩国科学技术院将EC-WPT技术应用于三星Galaxy S3手机的无线充电中[63]。2020年，圣地亚哥州立大学和电子科技大学提出一种NFC-CPT组合耦合器应用在金属外壳的智能手机中[64]。

图5 EC-WPT技术应用装置示例Fig. 5 Some applications based on EC-WPT technology

消费电子的特点是体积小、传输距离近、传输功率小，而EC-WPT系统在水平面拥有更高的空间自由度、耦合机构设计更加简易灵活，在消费电子领域中有着较大应用潜力。然而，相较于在该领域的MC-WPT系统，EC-WPT系统传输效率较低。因此，需要进一步研发较高充电效率、较高空间自由度的产品。

3.2 植入式医疗设备

近年来，可植入生物医学装置已经成为治疗某些疾病的重要方法之一，然而其电池续航和体积成为其限制条件。因此，EC-WPT技术可以作为一种有效的解决方案。奥克兰大学针对深植入生物医学设备提出了一种基于电场耦合的无线电能传输方法[65]，如图5c所示。新加坡国立大学设计出工作频率高达402MHz的EC-WPT系统，并将其应用于经皮电动医疗植入设备中[22]，如图5d所示。印度公立大学针对神经植入式传感器建立了基于人体组织的电能与信号并行传输模型[66]。

综合目前EC-WPT植入式医疗设备的研究可见，电场耦合无线电能传输技术比较适用于经皮植入医疗设备充电。此外，该领域的研究关键在于生物体安全性，即电磁场辐射、安全功率等；其次在于系统微型化，即电路集成、缩小体积；最后需要考虑生物体兼容的问题。

3.3 工业制造

无线电能传输技术可以有效、可靠、安全的提供电能，在工业制造的相关领域得到广泛关注。一些场合多用集电环、轴承，但老化磨损和碎屑粉尘会带来安全隐患，EC-WPT技术可以很好地解决上述问题。文献[24]利用滑动轴承静子和转子之间的寄生电容传输电能，消除了有线的电气连接。文献[35]利用EC-WPT技术构建了一种牵引电动汽车的高功率密度的绕线转子磁场同步电机，如图5e所示。此外，文献[67]面向机器人模块提出一种双向电场耦合无线电能传输方案来平衡模块之间的能量，如图5f所示。

EC-WPT的耦合机构有良好的可塑性，可以根据应用需求任意设定形式，尤其适用于旋转式和球式链接的应用，如电机、机械臂等。因此EC-WPT系统在工业制造领域有很大的应用潜力，能够很好地提升系统的灵活性、安全性。但是，目前EC-WPT技术在工业制造领域的应用以静态充电系统为主，且没有形成完善的、系统性的解决方案。此外，面向有自由度的应用，还需克服耦合机构偏移、功率流控制等问题。

3.4 电动汽车

近年来，以清洁电能为动力的电动汽车不断发展，国家也在大力推进其走入千家万户。WPT技术在电动汽车中应用广泛，定点充电使得充电更加便捷安全，动态充电可以有效增加电动车续航，并且能在一定程度上解决充电桩建设的问题。目前，国内外研究团队围绕功率密度提升、静态/动态供电、抗耦合机构偏移、降低参数敏感性等多方面进行了研究。密歇根大学学者利用高阶谐振网络构建了以电动汽车为应用对象的实验装置[55]。威斯康辛大学基于EC-WPT技术，将接收电极贴在车体尾部用曲面耦合来增大耦合电容，并设计了一套电动汽车充电系统[68]。纽斯卡尔大学基于层叠式耦合机构采用LCL-S拓扑设计了一套电动汽车充电系统，简化了系统拓扑并且在耦合机构偏移时不需要保护电路[53]。昆明理工大学面向电动汽车的动态充电，提出了一种采用四线圈谐振网络的EC-WPT系统，同时给出了一种针对有轨电车的电场耦合供电的实施方案。康奈尔大学利用高频（13.56MHz）和交错箔电感器构建了一种面向电动汽车充电的EC-WPT系统并实现高功率密度（49.4kW/m2）和高传输效率（94.7%）的电能传输[25]。

表2 总结和归纳了近年来用于电动汽车无线供电应用的EC-WPT系统，并对比了传输性能、耦合机构、充电形式等。通过现有文献可知，EC-WPT系统的传输功率多是kW级，传输效率在90%左右，而系统的功率密度有了数量级的提升。此外，EC-WPT系统展现出较好的抗耦合偏移特性。相比于该领域逐步应用的MC-WPT系统，EC-WPT技术在传输功率、传输效率等多方面都是有待提升的，离技术走向实际应用还有较长的路。此外，相比于定点供电，电动汽车动态供电系统具有更高的复杂性，存在耦合机构实时偏移、参数扰动、导轨切换等问题。

表2 用于电动汽车无线供电的EC-WPT系统的对比Tab.2 The comparison of EC-WPT systems for EV charging

3.5 水下设备

水下无线电能传输技术是一个很有意义的研究领域，该技术可以用于水下自动巡航器和水下探测设备等的供电，可以很好地解决有线供电方式带来供电不方便和蓄电池续航能力不足等问题。近年来，水下无线充电系统主要基于ME-WPT技术。然而，磁场会在海水环境中产生涡流损耗，这会严重影响系统的传输效率[72]。此外，压磁效应也会影响MCWPT系统传输性能。由于EC-WPT技术特点，水介质能有效地增加系统耦合电容，提升系统传输能力，因此该技术是一种在水下无线供电中很有潜力的方法。文献[73]设计了一种应用在纯水环境中的ECWPT系统，其传输效率可达91.3%、传输距离为20mm。文献[74]提出了一种用于自主水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle, AUV）的双向ECWPT系统，能够更有效地平衡多个水下设备的能量，并有效提升续航能力。文献[72]在考虑绝缘层的影响下建立了纯水中EC-WPT系统的电路模型，并提出了一种传输距离达200mm的水下电场耦合无线电能传输系统。

然而由于水下环境的复杂性，对水下EC-WTP技术提出了更高的要求。海水下存在水流涌动影响,耦合机构会发生偏移；海水介质的电导率不完全一致，会影响到耦合电极之间的耦合电容；水环境下的压力、腐蚀、浮游生物附着等特殊问题也需要进一步考虑。因此，面向水下EC-WPT技术，应当综合考虑海水环境的特殊性，在结合有限元仿真和实验的基础上，研究适用于水下的稳定的、高效的无线电能传输方案。

4 EC-WPT技术未来值得关注的研究方向

随着近年来EC-WPT技术的持续发展，除了继续推进当前的热点研究领域以提升系统传输功率距离、改善系统传输性能之外，还应当充分挖掘和发挥该技术的优势，着眼于EC-WPT技术的未来研究方向。本节将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，安全问题五个方面论述ECWPT技术未来值得关注的研究方向。

4.1 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6所示。需要说明的是，单电容ECWPT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。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[75-76]，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。

图6 单电容无线电能传输系统简化电路拓扑Fig.6 Equivalent circuit of single capacitor WPT system

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。

4.2 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7a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7b所示；②金属障碍尺寸大于耦合极板尺寸且接地，如图7c所示；③金属障碍大于层叠式耦合机构的尺寸，如图7d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7 金属障碍在耦合机构中间的不同形式Fig.7 The different conditions of metal barrier in the capacitive coupler

围绕EC-WPT系统跨越金属传能只有很少量的研究，文献[77]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。

4.3 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[78]。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[26,53,79]。

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ECWPT系统耦合机构设计，为系统效率优化提供基础。

4.4 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，文献[80]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8a所示；②电能与信号并行传输，文献[81]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8b所示。此外，如4.2节所述，文献[77]结合电场耦合与磁场耦合实现跨越金属障碍传能。

图8 磁场耦合与电场耦合混合型WPT系统Fig.8 Inductive and capacitive combined WPT system

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。

4.5 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。文献[82]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9a所示。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。文献[83]采用外加金属极板对电场进行屏蔽，其电场分布如图9b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。文献[36]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。

图9 EC-WPT系统安全问题研究Fig. 9 Research on security of EC-WPT system

5 结论

本文综述了电场耦合无线电能传输的研究现状与发展。在对EC-WPT技术工作原理阐述的基础上，本文从理论研究与应用情况两方面论述和分析了有指导意义的研究成果。围绕EC-WPT技术未来值得关注的研究方向，从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，分别分析了应用中遇到的问题并探讨了今后的主要研究内容。