電場耦合式無線電能傳輸技術的發展現狀

于 宙 肖文勛 張 波 丘東元

電場耦合式無線電能傳輸技術的發展現狀

于 宙 肖文勛 張 波 丘東元

（華南理工大學電力學院 廣州 510640）

電場耦合式無線電能傳輸（ECPT）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。該文首先介紹ECPT技術的發展歷程和基本原理；然后對近年來國內外ECPT技術的研究成果進行分析和系統綜述，具體論述ECPT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等方面的各種技術的特性、改進過程、適用場合和存在的問題，并總結了適用于不同應用場景的ECPT技術；最后對未來研究方向進行展望。

無線電能傳輸電場 耦合式無線電能傳輸 耦合 機構補償網絡 電磁安全

0 引言

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[1-2]，具有很強的潛力。

根據傳輸原理[3-7]，無線電能傳輸可以分為近場的電場耦合式無線電能傳輸（Electric-field Coupled Wireless Power Transmission, ECPT）與磁場耦合式無線電能傳輸（Magnetic-field Coupled Wireless Power Transmission, MCPT），以及遠場的電磁輻射式無線電能傳輸（Electromagnetic Radiant Wireless Power Transmission, 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（Capacitively Coupled Power Transmission, CCPT）、或電容式電能傳輸（Capacitive Power Transmission, 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[8]。典型ECPT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MCPT系統如圖1b所示，對比圖1a、圖1b可以發現，ECPT系統的電路結構與MCPT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MCPT，ECPT具有眾多優勢[9-10]，具體對比見表1。從表中可以看出，ECPT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MCPT均具有明顯優勢。

ECPT的基本概念最早由尼古拉·特斯拉于20世紀末提出[11]，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ECPT系統[12]，但效率非常低，僅驗證了其可行性；隨后ECPT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[13]，才將ECPT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[14-17]，與MCPT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ECPT系統輸出能夠達到kW級[18]；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ECPT研究的熱潮[19-20]。

表1 MCPT與ECPT對比

Tab.1 Comparison of MCPT and ECPT

現有研究表明，制約ECPT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MCPT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，本文將對ECPT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ECPT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ECPT系統的傳輸性能，因此設計良好的耦合機構就成為研究ECPT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。

1.1 耦合電容

由文獻[21]可知，一對帶電平行極板的等效電容值為

式中，為介電常數；為相對面積；為極板間距。可以看出，耦合電容值主要受耦合介質的介電常數、極板相對面積和兩側極板間距的影響。由于相對面積往往受到安裝空間的限制，因此介電常數和板間距就成為了影響耦合電容值的重要因素。

由式（1）可得，其他參數一定時，板間距越小，電容值越大，但部分應用場景希望傳輸距離越大越好，為了解決這種矛盾，學術界衍生出了兩種截然不同的研究路徑。第一種是盡量縮短發射端極板與接收端極板之間的距離，從而增大耦合電容值，同時也減少了電場泄露，增加了系統安全性。威斯康辛大學的D. C. Ludios教授團隊研究發現當板間距小于1mm時，ECPT的傳能能力要優于MCPT[10]，因此他們構建了發射端柔性表面以保證兩側極板之間距離足夠小，如圖2a所示，在540kHz的頻率下傳輸超過1kW的功率，并成功將其應用到Corbin Sparrow電動汽車的充電中[22]。第二種是通過補償網絡的設計降低系統對耦合電容的敏感性，從而提高傳輸距離，但安全距離也隨之變大，仍應進一步考慮安全屏蔽的問題。補償網絡與安全屏蔽的設計分別在2.2.3節與4.2節中介紹。為了提高傳輸距離，文獻[23]類比MCPT系統的中繼線圈模型，搭建了ECPT系統的中繼耦合機構，如圖2b所示，它由兩塊金屬極板組成，外部并聯電容和電感構成補償網絡用于諧振，該系統可以在360mm的距離下輸出100W的功率，效率達到67%。

圖2 耦合機構結構

由式（1）可知，當其他參數一定時，介電常數越大，電容值越大。傳統ECPT系統通常采用空氣作為耦合介質，它的介質常數僅為1，因此所構建的耦合機構等效電容值也相對較小。而采用介電常數更大的介質材料構建耦合機構可以有效增加耦合電容值。文獻[16]采用鋯鈦酸鉛作為耦合介質，它的介電常數是空氣的2 600倍，可以有效降低系統頻率和功率損耗等，同時該文獻指出選擇耦合介質時不僅需要考慮介電常數，也需要考慮損耗因子以降低功率損耗；文獻[24]對比了多種介質材料，最終選用最大介電常數和最低等效串聯阻抗的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET），并將其成功地應用于醫療設備；文獻[25]則就地取材，利用汽車玻璃作為耦合介質，將ECPT應用到電動汽車的充電上，顯著提高了電動汽車的充電功率和效率。

1.2 極板結構

最常見的極板結構有三種：平板式、圓盤式、圓筒式，這三種結構的對比見表2[26-27]。其中，平板式結構又包括水平式四極板結構和垂直式四極板結構。由于水平式四極板結構最為簡單，應用最為廣泛，因此表中采用水平式四極板結構作為平板式結構的例圖。

文獻[28-29]在文獻[19]的基礎上優化了水平式四極板結構，提出垂直式四極板結構，又稱層疊式結構，如圖3a所示，能夠增加同側耦合電容值，并設計了雙LCL拓撲用于補償耦合電容，降低系統的參數敏感性，有效節省電路元件和空間體積。文獻[30]發現層疊式結構周圍漏電場的大小主要取決于外側極板電壓的高低，因此該文獻對其進行改進，將低壓極板置于外側，高壓極板置于內側，如圖3b所示，不僅降低了系統的參數敏感性，而且降低了系統的電場泄露，提高了系統的安全性。

表2 極板結構的對比

Tab.2 Comparison of plate structures

圖3 四極板結構

為了增強耦合機構的抗偏移能力，文獻[31]提出了一種具有矩陣型發射端的ECPT系統，如圖3c所示，其中P極板為發射端，S極板為接收端，無論負載位置如何，只要S極板位于P極板范圍內，該系統都能保持穩定的電壓輸出，但文獻未考慮到不同極板間的交叉耦合，具有一定的誤差；文獻[32]提出了一種類似葉綠素細胞結構的接收端極板陣列結構，如圖3d所示，其中矩形極板S為發射極板，六邊形極板P為接收極板陣列，并以此為基礎搭建了位置自由的ECPT系統，但該系統需要為每個六邊形極板配備接收電路，增加了成本和復雜度。

上述提到的極板結構均為四極板結構，即耦合機構由兩對極板組成，一對用于發射端向接收端傳輸能量，另一對用于構建電流返回路徑，雖然研究比較成熟，但結構較為復雜。相比之下，雙極板結構無需構建能量返回路徑，僅用一對極板即可實現能量的無線傳輸，如圖4所示，具有比四極板結構簡單、占用空間小、成本低等優點，正在逐漸引起人們關注。文獻[33]提出了一種新型的雙極板ECPT系統，可以傳輸4W的功率，效率32%，驗證了該結構的可行性；文獻[34]針對雙極板結構的極板電壓值過高的問題，采用四分之一波長諧振器將極板電壓降低一半，與同等情況下的四極板結構保持一致，提高了雙極板結構的安全性；文獻[35-36]針對雙極板ECPT系統在距離增加時功率和效率大幅下降的問題，提出了非線性宇稱時間（Parity Time, PT）對稱單線ECPT系統，能夠實現變距離條件下的恒功率與恒效率輸出，但只驗證了其理論可能性，并沒有實驗驗證；文獻[37-38]利用負載金屬的自電容效應，構建了一條虛擬的電流傳輸路徑，從而將四極板結構簡化為雙極板結構，能在10cm的板間距下，以超過50%效率傳遞50W功率。綜合現有研究可以看出，雙極板結構通常是通過接地或者利用周邊環境的雜散電容來構建能量返回路徑，因此其等效電路模型與四極板結構是相同的，僅在實際應用中有所差別。但由于目前對于雙極板結構的研究還處于初始階段，采用與四極板結構同樣的補償網絡和分析方法往往導致功率效率很低，因此有待進一步研究，尋求突破。

圖4 雙極板結構

1.3 電容等效模型

ECPT系統與MCPT系統最大的不同點在于耦合機構的不同，磁場耦合機構通常由高頻利茲線繞制成的線圈構成，在系統建模中可以等效為互感模型，而電場耦合機構則多由金屬極板構成，缺乏統一的等效建模方法。

常見水平式四極板耦合機構存在的耦合電容如圖5a所示，共有6個交叉耦合電容。最初研究的學者通常會忽略其他交叉耦合電容，僅考慮存在較大相對面積的主耦合電容[15-16]，即13與24，表示為s1與s2，電容值由式（1）確定，直至現在，仍有很多文獻采用此種兩電容等效模型，雖然簡便，但誤差較大；文獻[39-40]類比于磁場耦合系統的互感模型提出了一種互容等效模型，如圖5b所示，首次引入術語“電容耦合系數”，相比之前的方法更加精確，但并未詳細計算電容模型中各個電容值。文獻[20]在文獻[39-40]的基礎上，根據基爾霍夫定律精準計算各個電容之間的等效關系，提出更精確的交叉耦合電容模型，成為目前應用最廣泛的電容等效模型，如圖5c所示，等效公式為

文獻[41]提出了一種電磁安全性更好的六極板結構，利用星形—三角形變換和基爾霍夫定律將其等效為一個由受控源和電容構成的三端口網絡，徹底解決了電容等效模型問題；文獻[42]發現當采用式（2）所示的交叉耦合電容模型時，用儀器測量出板耦合電容值并非單獨的兩極板電容值，而是包含的任意兩極了其他極板影響的電容值，因此該文獻在交叉耦合電容模型的基礎上又推導出更加精確的耦合電容等效數學模型和計算方法，為后續的電路結構設計打下堅實的基礎。

圖6總結了目前已知有關電場耦合機構的研究內容。綜上可知，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。

圖6 電場耦合機構研究內容

2 電路結構

2.1 電力電子變換器

在大部分應用場景中，輸入電源是工頻交流電或直流電，負載為直流負載。因此，在ECPT系統中，需要用電力電子變換器將輸入電源變換成可用于無線電能傳輸的高頻交流電，以及將接收端接收到的交流電轉化為可供負載使用的直流電。

文獻[13]提出了一種電流饋電型推挽變換器，如圖7a所示，該變換器的獨特之處在于，驅動開關管所需要的功率和控制信號都直接從主電路獲得，無需控制電路即可實現軟開關。文獻[15]用兩個半導體開關代替二極管構成改進全橋整流器，如圖7b所示，實現了半導體器件的軟開關，以及輸出的有功功率控制，有效降低了系統損耗。文獻[43]對比推挽逆變器與E類逆變器，發現E類逆變器電路結構更簡單，輸出功率更高，可控性更高；但推挽逆變器抗偏移能力更強，效率更高。文獻[44]設計了基于全橋逆變器和全橋整流器的ECPT系統，如圖7c所示，通過電路諧振，在4MHz的工作頻率下輸出3.7W的功率，效率能夠達到80%。文獻[45]對比了常見的多種逆變器結構，分析了它們的優缺點，最終采用雙E類逆變器解決了E類逆變器工作時電壓應力過高的問題，如圖7d所示。文獻[46]修改了標準Cuk變換器、SEPIC變換器、Zeta變換器和準諧振Buck-Boost變換器四種單有源開關拓撲結構以適應ECPT系統，發現不同變換器電路之間的主要區別是耦合電容上的平均電壓，最終選擇了性能最佳的準諧振Buck-Boost變換器，并更名為SLLD結構，如圖7e所示，實現了200kHz下1kW的功率輸出，效率高于90%。文獻[47]針對SLLD結構串聯電感漏感較大的問題，增加諧振電感降低漏感，將SLLD轉化為E2類變換器，如圖7f所示，將電路從準諧振狀態提升為全諧振狀態，降低了工作頻率，提高了輸出功率。

圖7 采用電力電子變換器的ECPT系統

綜上可以看出，目前可應用于MCPT系統的電力電子變換器只需稍加改造，均可直接應用于ECPT系統，重點在于根據實際應用場景和所需功能選擇合適的變換器以及實現器件軟開關。

2.2 補償網絡

由于ECPT系統發射端與接收端之間耦合電容較小，因此通常需要加入補償網絡以改善負載特性、實現電壓泵升功能或降低系統參數敏感性。

2.2.1 負載特性

與MCPT系統類似，加入補償網絡的主要目的是減小無功功率，提高輸出功率和效率，實現不同的負載特性，例如恒壓或恒流特性等。

早期的研究大多采用電感串聯補償的方式，雖然結構簡單，但輸出功率往往不足10W，效率也達不到50%，實用性差。文獻[48]發現ECPT系統的傳輸功率等級與耦合機構的品質因數有很大關系，因此該文獻采用LCL補償網絡對耦合機構進行補償，如圖8a所示，將系統的功率因數提升至傳統的十倍以上，將輸出功率提升到25W，效率提高到80%。文獻[49]提出了一種電流源型ECPT系統，如圖8b所示，1與1構成電源變換網絡N1，將逆變器的電壓型輸出轉化為電流型輸出，使通過耦合電容的耦合電流具有電流源特性，近似與負載變化和耦合電容變化無關。文獻[50]提出了一種基于T型CLC補償網絡的恒壓型ECPT系統，如圖8c所示，能夠實現系統輸出電壓與負載無關和空載條件下負載自適應的特性。文獻[51]提出一種輸出電壓與負載無關的恒壓CLLC-L拓撲，如圖8d所示，同時為了防止無源諧振元件被高電壓擊穿，根據元件電壓值對系統進行了參數優化。文獻[52]提出一種基于F-F/T 變結構諧振網絡的恒壓-恒流型ECPT系統，如圖8e所示，該系統通過控制切換開關可以實現接收端T網絡與F網絡的自由切換，在T網絡下能夠恒壓輸出，在F網絡下能夠恒流輸出。

圖8 負載特性補償網絡

2.2.2 電壓泵升

ECPT系統中的補償網絡與MCPT系統的最大不同點在于：除了調諧和阻抗匹配外，它還要起到電壓泵升的作用。所謂電壓泵升指的是利用補償網絡的升壓效果將極板電壓升至很高的級別，通常在kV以上，根據能量守恒定律，此時極板電流就會變得很低，從而降低極板損耗。

文獻[53]提出了一種基于多級LC拓撲的雙發射電路，如圖9a所示，通過將兩個全橋逆變器并聯的方式不僅提升了系統的輸入功率，而且降低了開關管的電流應力，發射端利用三個LC環節來升壓，接收端利用CLC網絡來降壓，實現了1.47kW級別的輸出。文獻[54-55]采用CLC-S拓撲補償E類變換器，如圖9b所示，利用該拓撲電壓泵升的作用使得極板電壓遠高于變換器的輸出電壓，有效地解決了E類變換器MOS管的低壓需求和耦合機構的高壓需求之間的矛盾，既降低了開關管的電壓應力，又保證了較高的傳輸效率。

圖9 電壓泵升補償網絡

2.2.3 降低參數敏感性

對ECPT系統傳能影響最大的因素就是耦合機構的耦合電容值，耦合電容值稍微發生變化，系統傳輸性能就會明顯下降，而耦合電容值又極易受到傳能距離等因素的影響，導致ECPT系統的參數敏感性很高。因此利用補償網絡的設計來降低系統的參數敏感性也十分重要。

夏冰把包袱從肩上取下來，墊在街沿，坐下來一邊吃面包，一邊看報紙，肚子填飽了，報紙也看完了，便把報紙一團，扔進路邊垃圾桶，朝一處僻靜的電話亭走去。

文獻[56]針對ECPT參數時變導致系統頻率漂移的問題，提出一種利用電容矩陣實現調諧控制的方法，如圖10a所示，相當于諧振電感固定，用電容矩陣補償耦合電容的值，以穩定系統諧振頻率，使得系統始終維持在軟開關工作狀態，保持系統性能最優。文獻[57]分析了LCL補償網絡的參數敏感性，求解了系統電壓增益相對變化率小于40%的4個參數選值區間，實現高階ECPT系統的低參數敏感性工作。文獻[19]發現同側極板之間的交叉耦合是導致系統對耦合容值敏感的主要原因，因此該文獻在同側耦合電容旁并聯了大電容，在LCL拓撲的基礎上設計了LCLC拓撲，如圖10b所示，降低了系統的參數敏感性，提升了傳輸距離；文獻[20]對LCLC拓撲進行改進，提出了一種新型CLLC拓撲，如圖10c所示，可以有效降低諧振電感，減小體積，但無論是哪種拓撲，都需要8個調諧元件，系統體積較大且較為復雜；文獻[58-59]提出了一種基于LC補償的松耦合系統，將8個調諧元件簡化為4個，如圖10d所示，并同時實現了恒壓恒流輸出，但輸出功率與效率略微下降，因此需要根據實際應用場景謹慎選擇圖10c和圖10d這兩種拓撲。

圖10 降低參數敏感度補償網絡

除了上述無源補償外，文獻[60-62]提出了一種新型有源補償結構——單脈沖開關有源電容器（One Pulse Switching Active Capacitor, OPSAC），如圖10e所示，電路無需LC補償網絡和任何反饋回路，使用三電平操作和級聯操作即可提高系統的輸出功率，但只驗證了其理論可行性，沒有進行實驗驗證，還有待進一步研究。文獻[25, 63-68]采用升降壓變壓器來實現電壓泵升的功能，如圖10f所示，發射端采用升壓變壓器來升壓，接收端采用降壓變壓器來降壓，補償網絡僅用于實現阻抗匹配或諧振的功能。其中，文獻[68]分析了變壓器漏感對系統性能的影響，提出利用變壓器漏感補償耦合電容的方法，降低了系統的參數敏感性，提高了效率，減小了體積。

表3從補償方式、頻率、距離、功率/效率、特性等方面總結了國內外現有研究的常見補償網絡類型，旨在為后續補償網絡的設計提供指導。綜上可得，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。

表3 現有研究的補償網絡類型

Tab.3 The types of compensation network in current research

3 系統控制

3.1 系統建模方法

不同于MCPT系統中常用的耦合模理論和電路理論，ECPT系統的建模方法尚未統一，主要原因在于電場耦合機構的不同電容等效模型對應的系統建模方法有所不同。若等效為最簡單的兩電容等效模型，則可以直接采用電路理論以及基爾霍夫定律對電路進行分析；若等效為互容等效模型或交叉耦合電容等效模型，則通常采用疊加定理和近似基波（Fundamental Harmonic Approximation, FHA）原理建模分析[14, 19-20, 23]；除此之外，還有一些其他的系統建模方法。

文獻[14]首次采用頻閃映射法對ECPT系統建模，分析了開關管的零電壓開通頻率以及穩態電壓波形等；文獻[69]同樣利用頻閃映射法建模，準確確定了ECPT系統的四個穩態工作點，通過畫分岔圖檢測參數變化對ZCS周期的影響，研究表明在諧振頻率點的工作性能最佳；文獻[70-71]采用廣義狀態空間平均法（Generalized State-Space Averaging, GSSA）模型對ECPT系統建模，并依托該模型分析了ECPT系統的穩態和暫態過程，分析結果與仿真一致；文獻[35-36]將耦合模理論應用到ECPT系統的分析中，得到了與MCPT系統相似的方程。

3.2 優化控制策略

目前關于ECPT系統優化控制的研究相對較少，還處于初始探索階段。

文獻[1]針對ECPT系統存在的傳輸距離短、補償電感大以及傳輸效率低等問題，以傳輸效率為目標函數，提出一種結合非線性規劃和自適應遺傳算法的優化方法，在一定傳輸距離下得到一組能滿足系統零相位、低激勵電壓和小補償電感的最優系統參數，并使系統在滿足所需輸出功率的條件下效率最高。文獻[65, 68]針對最大功率輸出時系統效率僅達50%的問題，提出了一種新型控制策略，利用最大效率點跟蹤算法（Maxium Pouer Point Tracking, MPPT）動態調控DC-DC變換器的占空比，使電路在最大功率點的輸出效率達到70%。文獻[72]則利用鎖相環使半橋逆變器的開關頻率始終緊跟諧振頻率，實現了工作頻率自動追蹤。文獻[73]針對高階系統的PID控制器最優參數難以設計的難題，基于GSSA模型，利用多目標多約束遺傳算法（Non Dominated Sorting Genetic Algorithm-Ⅱ, NSGA-Ⅱ）對PID控制參數進行自動尋優，改善了魯棒性能，提升系統的穩定性。文獻[42]在文獻[73]的基礎上加以改進，考慮了所有參數取值范圍合理的約束條件，采用KNGSA-II算法和肯特映射法得到了ECPT系統的最優參數。

3.3 能量與信號并行傳輸控制技術

綜上可以看出，對ECPT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ECPT的系統控制開展進一步的研究。

4 電磁安全性研究

目前ECPT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。

4.1 電磁輻射安全標準

不同于MCPT系統國際公認的Qi和A4WP標準，國際上尚缺乏關于ECPT系統統一的安全標準，電場屏蔽的標準只能從電磁輻射方面進行借鑒，總結見表4[78-80]。

表4 電磁輻射安全標準

Tab.4 Safety standard for electromagnetic radiation

4.2 屏蔽方案

針對高電壓誤觸問題，現有研究較少，主要方法多為在金屬板表面增加絕緣層[54]，以防止人體誤觸，但絕緣層的介電常數也會影響到耦合電容值，因此需要綜合考慮。

國內外主要研究方向都集中在如何防止電場泄露。文獻[81]對比了電場與磁場的屏蔽方法，發現金屬墻雖然無法屏蔽磁場，但是對電場的屏蔽十分有效。文獻[82]提出了一種在平板式結構外部增加金屬屏蔽盒的方法，成功地降低了耦合機構垂直方向上的電場泄露，屏蔽效果良好。文獻[41]提出了一種降低電場泄露的六極板結構，在水平四極板的基礎上增加兩個額外的極板用于屏蔽，將安全距離從0.6m降低至0.1m，屏蔽效果顯著。文獻[79]引入了三元件人體阻抗模型，如圖11所示，推導了平板式結構的極板電壓以及放置于極板周圍金屬導體的感應電壓計算公式，提出了一種多約束的參數設計方法，在保證安全性的前提下，達到滿足系統期望的傳輸功率與效率。文獻[80]將ECPT系統應用到電動汽車的充電上時，利用車殼和地面作為屏蔽極板，并根據安全標準對車殼電壓進行優化，在保證安全性的情況下實現了kW級的功率輸出。文獻[83]提出了一種陣列極板式耦合機構，通過控制相鄰極板對的電壓相位，有效減少系統外部的電場輻射，并結合Maxwell有限元仿真結果，表明在使用8塊極板的情況下能夠減少40%的外部電場輻射。

圖11 三元件人體阻抗模型

綜上所述可以看出，雖然對于ECPT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ECPT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ECPT系統的研究還處于起步狀態，而MCPT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。

5.1 減少諧振元件

文獻[84]提出了一種基于LC補償的混合式無線電能傳輸系統，如圖12a所示，令兩種耦合機構互為補償，可以在抗偏移能力更好的情況下簡化電路元件，同時該文獻還指出磁場耦合機構的連接一定要為異名端，若為同名端則兩耦合會相互抵消。文獻[85]將PT對稱技術應用到混合耦合系統中，如圖12b所示，可以保證在1.4m范圍內，系統能以77%的恒定效率輸出70W的恒定功率。

5.2 減少裝置體積

為減少裝置體積，文獻[86]在文獻[84]的基礎上提出一種新型的集成耦合機構，如圖12c所示，將耦合機構切割為長條，然后折疊在一起就可以在一定區域內同時激勵出磁場和電場，圖中P1、P2為發射極板，P3、P4為接收極板，并且P1、P3為一對極板，用于傳遞能量，P2、P4為一對極板，用于構建能量返回路徑，最終實現了180mm下100W的功率輸出，效率達到73.6%，為電場與磁場混合耦合技術提供了新的解決方案。文獻[87]提出了一種CL補償的混合耦合系統，搭建了另一種結構的混合耦合機構，如圖12d所示，利用金屬極板屏蔽磁場，降低了安全距離，利用MCPT系統分擔系統總功率，實現了1kW輸出，效率達到88.24%。文獻[88]將兩種耦合機構集成到同一塊印制電路板（Printed Circuit Board, PCB）上，如圖12e所示，充分減小了裝置體積，而且可以控制二者的輸出配比，當輸出配比為50%時，電場與磁場之間的相互干擾是最小的。

5.3 功能互補

電場與磁場混合耦合還能實現功能互補，完成單一耦合無法實現的功能，例如穿越金屬板傳能。文獻[89]將電場耦合機構放置于電能發射端，將磁場耦合機構放置于電能接收端，同時將金屬板作為耦合機構回路的一部分，如圖12f所示。在發射端通過電場耦合使得金屬層中產生交變的位移電流，在接收端將這一段具有位移電流的金屬板作為磁場耦合的單匝發射線圈，用帶有磁心的多匝接收線圈耦合并獲得位移電流所攜帶的能量，從而實現穿越 2mm 的鋁板傳輸超過 11W 的功率。此項研究成果在很多工業場景有很好的應用前景。

綜上所述可以看出，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

6.1 常見應用領域

與MCPT類似，ECPT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，文獻[90]類比MCPT系統中的四線圈結構，提出了一種用于ECPT的中繼耦合結構，在原來的MCPT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。文獻[91]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，文獻[92]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。同時該文獻指出，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。文獻[93]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%[19-20]，也正式將ECPT的功率等級提升到kW級別。文獻[66]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，文獻[63-64]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MCPT系統同等的功率傳輸效果[94]，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[95-98]；該團隊又于2017年提出將ECPT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ECPT系統[99]。

6.2 特殊應用領域

除了常見應用領域之外，ECPT系統在部分特殊應用領域相對于MCPT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[100]。文獻[54]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。文獻[101]對水下ECPT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。該文獻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ECPT系統，且無需嚴格的位置要求。該文獻還發現系統傳輸效率與海水的離子濃度有關，但沒有給出具體相關性。文獻[102-103]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。文獻[104]在其基礎上發現，水下ECPT系統傳能效率主要取決于耦合機構的耦合系數與空載水介質的品質因數的乘積，因此該文獻提出了一種能夠提升系統的設計方法，從而提升了系統效率。文獻[105]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，MCPT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[106-107]，而ECPT系統僅需要采用廉價的金屬極板，其損耗低、成本低。文獻[108]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。文獻[109]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%。文獻[110]利用雙極板結構ECPT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。

ECPT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ECPT系統在植入式醫療設備領域極具應用價值。文獻[24]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。文獻[111]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。文獻[112]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；同時該文獻也發現，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。文獻[113-114]以猴子作為實驗對象，研究了基于柔性電極的植入式設備ECPT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ECPT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[27]，如果采用MCPT系統，又會產生復雜的線圈纏線問題，因此采用ECPT系統成為最優的解決方案。文獻[16]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；文獻[98]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13總結了目前ECPT系統的主要應用場景。在大多數常見應用領域中，ECPT系統與MCPT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，ECPT擁有比MCPT明顯的優勢。因此，研究ECPT系統勢在必行。

圖13 ECPT系統應用場景

7 結論

本文系統分析和綜述了近年來國內外ECPT技術的研究成果，具體從耦合機構、電路結構、系統控制、電磁安全、電場與磁場混合耦合、應用場景六個方面，分別詳細論述了研究現狀、技術特點、適用場合和存在的問題。

總體而言，目前ECPT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ECPT實際應用的難題，例如研究雙極板結構ECPT系統以減小裝置體積，研究ECPT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MCPT系統上的技術類比應用到ECPT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ECPT系統中以提升系統性能等。

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Development Status of Electric-Field Coupled Wireless Power Transmission Technology

Yu Zhou Xiao Wenxun Zhang Bo Qiu Dongyuan

（College of Electric Power South China University of Technology Guangzhou 510640 China）

Electric-field coupled wireless power transmission (ECPT) is a kind of wireless power transmission(WPT) technology through the coupler between metal plates. It has attracted widely concerned for its good characteristics, no eddy current, low cost and low loss. It also has become a hot topic in the research of WPT. Firstly, the development process and basic principle of ECPT technology is introduced. Then, the research results of ECPT technology at home and abroad in recent years are systematically analyzed and summarized. Specifically, its characteristics, improvement process, and existing problems in coupler, circuit structure, system control, electromagnetic safety, hybrid coupling of electric field and magnetic field are discussed, and the ECPT technologies for various application scenarios are summed up. Finally, the future research direction is prospected.

Wireless power transmission, electric-field coupled wireless power transmission, coupler, compensating network, electromagnetic safety

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210258

TM724

國家自然科學基金重點項目（51437005）、廣東省基礎與應用基礎研究基金（2020A1515010763）、中央高校基本科研業務費專項資金（2019ZD07）和“攀登計劃”廣東大學生科技創新培育專項資金（pdjh2020b0041）資助項目。

2021-03-01

2021-03-22

于 宙 男，1997年生，碩士研究生，研究方向為無線電能傳輸機理及其應用。E-mail：epyuzhou@mail.scut.edu.cn

肖文勛 男，1978年生，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。E-mail：xiaowx@scut.edu.cn（通信作者）

（編輯 郭麗軍）