電場耦合式無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

于 宙 肖文勛 張 波 丘東元

電場耦合式無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

于 宙 肖文勛 張 波 丘東元

（華南理工大學(xué)電力學(xué)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(shí)現(xiàn)能量無線傳輸?shù)募夹g(shù)，以其良好的傳能特性、不產(chǎn)生渦流、成本低、損耗低等優(yōu)點(diǎn)獲得了廣泛的關(guān)注，成為當(dāng)下無線電能傳輸研究的一個(gè)熱點(diǎn)。該文首先介紹ECPT技術(shù)的發(fā)展歷程和基本原理；然后對近年來國內(nèi)外ECPT技術(shù)的研究成果進(jìn)行分析和系統(tǒng)綜述，具體論述ECPT的耦合機(jī)構(gòu)、電路結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)控制、電磁安全、電場與磁場混合耦合等方面的各種技術(shù)的特性、改進(jìn)過程、適用場合和存在的問題，并總結(jié)了適用于不同應(yīng)用場景的ECPT技術(shù)；最后對未來研究方向進(jìn)行展望。

無線電能傳輸電場 耦合式無線電能傳輸 耦合 機(jī)構(gòu)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò) 電磁安全

0 引言

近年來，隨著科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)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(jīng)連續(xù)兩年被世界經(jīng)濟(jì)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(zhàn)提供答案的十大新興技術(shù)之一[1-2]，具有很強(qiáng)的潛力。

根據(jù)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(yuǎn)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(jìn)行無線電能傳輸?shù)姆绞健Ｔ诟哳l交變電流的作用下，耦合機(jī)構(gòu)的發(fā)射極板與接收極板間形成交互電場，繼而產(chǎn)生位移電流，從而實(shí)現(xiàn)無線電能傳輸[8]。典型ECPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1a所示，由高頻逆變器、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、耦合機(jī)構(gòu)、整流電路和負(fù)載五部分組成。圖中的耦合機(jī)構(gòu)是最常見的平板式四極板結(jié)構(gòu)，其中P1和P2為發(fā)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(fā)射端向接收端傳輸能量，P2和P4為一對極板，用于構(gòu)建能量從接收端到發(fā)射端的返回路徑，后面的圖中若無特殊標(biāo)注則均采用此種排列組合方式。典型MCPT系統(tǒng)如圖1b所示，對比圖1a、圖1b可以發(fā)現(xiàn)，ECPT系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)與MCPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類似，唯一不同點(diǎn)是耦合機(jī)構(gòu)，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(tǒng)結(jié)構(gòu)

相比于MCPT，ECPT具有眾多優(yōu)勢[9-10]，具體對比見表1。從表中可以看出，ECPT系統(tǒng)除了在安全性與中遠(yuǎn)距離充電領(lǐng)域略有不足外，在其他方面相較于MCPT均具有明顯優(yōu)勢。

ECPT的基本概念最早由尼古拉·特斯拉于20世紀(jì)末提出[11]，但限于當(dāng)時(shí)的科技水平，該技術(shù)并未獲得更進(jìn)一步的發(fā)展；1966年美國電氣工程師C. Paul開發(fā)了水下ECPT系統(tǒng)[12]，但效率非常低，僅驗(yàn)證了其可行性；隨后ECPT系統(tǒng)的研究進(jìn)入空窗期，直到2008年新西蘭奧克蘭大學(xué)的A. P. Hu教授成功將其應(yīng)用于足球機(jī)器人的充電上[13]，才將ECPT重新拉回大眾視野，但由于后續(xù)研究主要集中在短距離小功率領(lǐng)域[14-17]，與MCPT系統(tǒng)差距較大，因此也沒有引起廣泛關(guān)注；2014年美國威斯康辛大學(xué)的Ludois博士從理論上證明ECPT系統(tǒng)輸出能夠達(dá)到kW級[18]；2015年圣地亞哥州立大學(xué)的Chris Mi教授團(tuán)隊(duì)在傳輸距離為15cm的情況下實(shí)現(xiàn)了kW級別的功率傳輸，并將其成功應(yīng)用在電動(dòng)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(xiàn)有研究表明，制約ECPT發(fā)展的主要因素有三點(diǎn)：一是耦合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，這是因?yàn)轳詈想娙菔芫嚯x等參數(shù)影響嚴(yán)重，系統(tǒng)對耦合電容值的變化敏感，需要設(shè)計(jì)良好的耦合機(jī)構(gòu)，保證耦合電容值穩(wěn)定。二是電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，為了降低極板損耗，需要利用升壓補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)類似，高頻逆變器等其他電路結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)控制策略的設(shè)計(jì)也至關(guān)重要，需要設(shè)計(jì)高效高穩(wěn)定性的電路結(jié)構(gòu)，并針對具體應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)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(yīng)電場，有誤觸或泄露的風(fēng)險(xiǎn)，因此如何做好電場屏蔽，保證電磁安全是當(dāng)下最亟待解決的問題。

針對以上三個(gè)問題，近年來，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，但目前尚未有學(xué)者對這些研究成果進(jìn)行系統(tǒng)地總結(jié)。為此，本文將對ECPT的耦合機(jī)構(gòu)、電路結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)控制、電磁安全、電場與磁場混合耦合和應(yīng)用場景六個(gè)方面進(jìn)行系統(tǒng)地分析與綜述，以期為ECPT技術(shù)的研究與應(yīng)用提供參考。

1 電場耦合機(jī)構(gòu)

電場耦合機(jī)構(gòu)是發(fā)射端與接收端能量耦合的關(guān)鍵元件，耦合機(jī)構(gòu)的特性直接影響ECPT系統(tǒng)的傳輸性能，因此設(shè)計(jì)良好的耦合機(jī)構(gòu)就成為研究ECPT系統(tǒng)的關(guān)鍵性問題。近年來國內(nèi)外的學(xué)者主要通過三方面展開研究：一是使耦合機(jī)構(gòu)等效電容值更大，以提高無線傳輸?shù)哪芰炕蚓嚯x；二是研究不同結(jié)構(gòu)的金屬極板，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景；三是推導(dǎo)各耦合機(jī)構(gòu)相對應(yīng)的電容等效模型，以便后續(xù)電路建模與設(shè)計(jì)。

1.1 耦合電容

由文獻(xiàn)[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(shù)；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(zhì)的介電常數(shù)、極板相對面積和兩側(cè)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(shù)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(shù)一定時(shí)，板間距越小，電容值越大，但部分應(yīng)用場景希望傳輸距離越大越好，為了解決這種矛盾，學(xué)術(shù)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(fā)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(shí)也減少了電場泄露，增加了系統(tǒng)安全性。威斯康辛大學(xué)的D. C. Ludios教授團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)板間距小于1mm時(shí)，ECPT的傳能能力要優(yōu)于MCPT[10]，因此他們構(gòu)建了發(fā)射端柔性表面以保證兩側(cè)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(yīng)用到Corbin Sparrow電動(dòng)汽車的充電中[22]。第二種是通過補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)降低系統(tǒng)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(yīng)進(jìn)一步考慮安全屏蔽的問題。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)與安全屏蔽的設(shè)計(jì)分別在2.2.3節(jié)與4.2節(jié)中介紹。為了提高傳輸距離，文獻(xiàn)[23]類比MCPT系統(tǒng)的中繼線圈模型，搭建了ECPT系統(tǒng)的中繼耦合機(jī)構(gòu)，如圖2b所示，它由兩塊金屬極板組成，外部并聯(lián)電容和電感構(gòu)成補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)用于諧振，該系統(tǒng)可以在360mm的距離下輸出100W的功率，效率達(dá)到67%。

圖2 耦合機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

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

1.2 極板結(jié)構(gòu)

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

文獻(xiàn)[28-29]在文獻(xiàn)[19]的基礎(chǔ)上優(yōu)化了水平式四極板結(jié)構(gòu)，提出垂直式四極板結(jié)構(gòu)，又稱層疊式結(jié)構(gòu)，如圖3a所示，能夠增加同側(cè)耦合電容值，并設(shè)計(jì)了雙LCL拓?fù)溆糜谘a(bǔ)償耦合電容，降低系統(tǒng)的參數(shù)敏感性，有效節(jié)省電路元件和空間體積。文獻(xiàn)[30]發(fā)現(xiàn)層疊式結(jié)構(gòu)周圍漏電場的大小主要取決于外側(cè)極板電壓的高低，因此該文獻(xiàn)對其進(jìn)行改進(jìn)，將低壓極板置于外側(cè)，高壓極板置于內(nèi)側(cè)，如圖3b所示，不僅降低了系統(tǒng)的參數(shù)敏感性，而且降低了系統(tǒng)的電場泄露，提高了系統(tǒng)的安全性。

表2 極板結(jié)構(gòu)的對比

Tab.2 Comparison of plate structures

圖3 四極板結(jié)構(gòu)

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

上述提到的極板結(jié)構(gòu)均為四極板結(jié)構(gòu)，即耦合機(jī)構(gòu)由兩對極板組成，一對用于發(fā)射端向接收端傳輸能量，另一對用于構(gòu)建電流返回路徑，雖然研究比較成熟，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。相比之下，雙極板結(jié)構(gòu)無需構(gòu)建能量返回路徑，僅用一對極板即可實(shí)現(xiàn)能量的無線傳輸，如圖4所示，具有比四極板結(jié)構(gòu)簡單、占用空間小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，正在逐漸引起人們關(guān)注。文獻(xiàn)[33]提出了一種新型的雙極板ECPT系統(tǒng)，可以傳輸4W的功率，效率32%，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的可行性；文獻(xiàn)[34]針對雙極板結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)保持一致，提高了雙極板結(jié)構(gòu)的安全性；文獻(xiàn)[35-36]針對雙極板ECPT系統(tǒng)在距離增加時(shí)功率和效率大幅下降的問題，提出了非線性宇稱時(shí)間（Parity Time, PT）對稱單線ECPT系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)變距離條件下的恒功率與恒效率輸出，但只驗(yàn)證了其理論可能性，并沒有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；文獻(xiàn)[37-38]利用負(fù)載金屬的自電容效應(yīng)，構(gòu)建了一條虛擬的電流傳輸路徑，從而將四極板結(jié)構(gòu)簡化為雙極板結(jié)構(gòu)，能在10cm的板間距下，以超過50%效率傳遞50W功率。綜合現(xiàn)有研究可以看出，雙極板結(jié)構(gòu)通常是通過接地或者利用周邊環(huán)境的雜散電容來構(gòu)建能量返回路徑，因此其等效電路模型與四極板結(jié)構(gòu)是相同的，僅在實(shí)際應(yīng)用中有所差別。但由于目前對于雙極板結(jié)構(gòu)的研究還處于初始階段，采用與四極板結(jié)構(gòu)同樣的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和分析方法往往導(dǎo)致功率效率很低，因此有待進(jìn)一步研究，尋求突破。

圖4 雙極板結(jié)構(gòu)

1.3 電容等效模型

ECPT系統(tǒng)與MCPT系統(tǒng)最大的不同點(diǎn)在于耦合機(jī)構(gòu)的不同，磁場耦合機(jī)構(gòu)通常由高頻利茲線繞制成的線圈構(gòu)成，在系統(tǒng)建模中可以等效為互感模型，而電場耦合機(jī)構(gòu)則多由金屬極板構(gòu)成，缺乏統(tǒng)一的等效建模方法。

常見水平式四極板耦合機(jī)構(gòu)存在的耦合電容如圖5a所示，共有6個(gè)交叉耦合電容。最初研究的學(xué)者通常會(huì)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(xiàn)在，仍有很多文獻(xiàn)采用此種兩電容等效模型，雖然簡便，但誤差較大；文獻(xiàn)[39-40]類比于磁場耦合系統(tǒng)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(shù)語“電容耦合系數(shù)”，相比之前的方法更加精確，但并未詳細(xì)計(jì)算電容模型中各個(gè)電容值。文獻(xiàn)[20]在文獻(xiàn)[39-40]的基礎(chǔ)上，根據(jù)基爾霍夫定律精準(zhǔn)計(jì)算各個(gè)電容之間的等效關(guān)系，提出更精確的交叉耦合電容模型，成為目前應(yīng)用最廣泛的電容等效模型，如圖5c所示，等效公式為

文獻(xiàn)[41]提出了一種電磁安全性更好的六極板結(jié)構(gòu)，利用星形—三角形變換和基爾霍夫定律將其等效為一個(gè)由受控源和電容構(gòu)成的三端口網(wǎng)絡(luò)，徹底解決了電容等效模型問題；文獻(xiàn)[42]發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用式（2）所示的交叉耦合電容模型時(shí)，用儀器測量出板耦合電容值并非單獨(dú)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(xiàn)在交叉耦合電容模型的基礎(chǔ)上又推導(dǎo)出更加精確的耦合電容等效數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法，為后續(xù)的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖6總結(jié)了目前已知有關(guān)電場耦合機(jī)構(gòu)的研究內(nèi)容。綜上可知，電場耦合機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)根據(jù)應(yīng)用場景的要求，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，例如根據(jù)傳能距離的要求選擇不同的設(shè)計(jì)思路；根據(jù)負(fù)載應(yīng)用的要求選擇不同結(jié)構(gòu)的極板；根據(jù)研究的側(cè)向重點(diǎn)選擇不同的電容等效模型等?？梢钥闯?，電場耦合機(jī)構(gòu)的研究還不夠完備，缺乏統(tǒng)一的設(shè)計(jì)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(yīng)用場景的極板結(jié)構(gòu)以及更精確的電容等效模型，仍然是未來研究的重點(diǎn)方向。

圖6 電場耦合機(jī)構(gòu)研究內(nèi)容

2 電路結(jié)構(gòu)

2.1 電力電子變換器

在大部分應(yīng)用場景中，輸入電源是工頻交流電或直流電，負(fù)載為直流負(fù)載。因此，在ECPT系統(tǒng)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?shù)母哳l交流電，以及將接收端接收到的交流電轉(zhuǎn)化為可供負(fù)載使用的直流電。

文獻(xiàn)[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(dú)特之處在于，驅(qū)動(dòng)開關(guān)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(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。文獻(xiàn)[15]用兩個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)代替二極管構(gòu)成改進(jìn)全橋整流器，如圖7b所示，實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體器件的軟開關(guān)，以及輸出的有功功率控制，有效降低了系統(tǒng)損耗。文獻(xiàn)[43]對比推挽逆變器與E類逆變器，發(fā)現(xiàn)E類逆變器電路結(jié)構(gòu)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(qiáng)，效率更高。文獻(xiàn)[44]設(shè)計(jì)了基于全橋逆變器和全橋整流器的ECPT系統(tǒng)，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(dá)到80%。文獻(xiàn)[45]對比了常見的多種逆變器結(jié)構(gòu)，分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，最終采用雙E類逆變器解決了E類逆變器工作時(shí)電壓應(yīng)力過高的問題，如圖7d所示。文獻(xiàn)[46]修改了標(biāo)準(zhǔn)Cuk變換器、SEPIC變換器、Zeta變換器和準(zhǔn)諧振Buck-Boost變換器四種單有源開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以適應(yīng)ECPT系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)不同變換器電路之間的主要區(qū)別是耦合電容上的平均電壓，最終選擇了性能最佳的準(zhǔn)諧振Buck-Boost變換器，并更名為SLLD結(jié)構(gòu)，如圖7e所示，實(shí)現(xiàn)了200kHz下1kW的功率輸出，效率高于90%。文獻(xiàn)[47]針對SLLD結(jié)構(gòu)串聯(lián)電感漏感較大的問題，增加諧振電感降低漏感，將SLLD轉(zhuǎn)化為E2類變換器，如圖7f所示，將電路從準(zhǔn)諧振狀態(tài)提升為全諧振狀態(tài)，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(tǒng)

綜上可以看出，目前可應(yīng)用于MCPT系統(tǒng)的電力電子變換器只需稍加改造，均可直接應(yīng)用于ECPT系統(tǒng)，重點(diǎn)在于根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景和所需功能選擇合適的變換器以及實(shí)現(xiàn)器件軟開關(guān)。

2.2 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

由于ECPT系統(tǒng)發(fā)射端與接收端之間耦合電容較小，因此通常需要加入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)以改善負(fù)載特性、實(shí)現(xiàn)電壓泵升功能或降低系統(tǒng)參數(shù)敏感性。

2.2.1 負(fù)載特性

與MCPT系統(tǒng)類似，加入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的主要目的是減小無功功率，提高輸出功率和效率，實(shí)現(xiàn)不同的負(fù)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(lián)補(bǔ)償?shù)姆绞剑m然結(jié)構(gòu)簡單，但輸出功率往往不足10W，效率也達(dá)不到50%，實(shí)用性差。文獻(xiàn)[48]發(fā)現(xiàn)ECPT系統(tǒng)的傳輸功率等級與耦合機(jī)構(gòu)的品質(zhì)因數(shù)有很大關(guān)系，因此該文獻(xiàn)采用LCL補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)對耦合機(jī)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)償，如圖8a所示，將系統(tǒng)的功率因數(shù)提升至傳統(tǒng)的十倍以上，將輸出功率提升到25W，效率提高到80%。文獻(xiàn)[49]提出了一種電流源型ECPT系統(tǒng)，如圖8b所示，1與1構(gòu)成電源變換網(wǎng)絡(luò)N1，將逆變器的電壓型輸出轉(zhuǎn)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(fù)載變化和耦合電容變化無關(guān)。文獻(xiàn)[50]提出了一種基于T型CLC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的恒壓型ECPT系統(tǒng)，如圖8c所示，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)輸出電壓與負(fù)載無關(guān)和空載條件下負(fù)載自適應(yīng)的特性。文獻(xiàn)[51]提出一種輸出電壓與負(fù)載無關(guān)的恒壓CLLC-L拓?fù)?，如圖8d所示，同時(shí)為了防止無源諧振元件被高電壓擊穿，根據(jù)元件電壓值對系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化。文獻(xiàn)[52]提出一種基于F-F/T 變結(jié)構(gòu)諧振網(wǎng)絡(luò)的恒壓-恒流型ECPT系統(tǒng)，如圖8e所示，該系統(tǒng)通過控制切換開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)接收端T網(wǎng)絡(luò)與F網(wǎng)絡(luò)的自由切換，在T網(wǎng)絡(luò)下能夠恒壓輸出，在F網(wǎng)絡(luò)下能夠恒流輸出。

圖8 負(fù)載特性補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

2.2.2 電壓泵升

ECPT系統(tǒng)中的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)與MCPT系統(tǒng)的最大不同點(diǎn)在于：除了調(diào)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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)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(jù)能量守恒定律，此時(shí)極板電流就會(huì)變得很低，從而降低極板損耗。

文獻(xiàn)[53]提出了一種基于多級LC拓?fù)涞碾p發(fā)射電路，如圖9a所示，通過將兩個(gè)全橋逆變器并聯(lián)的方式不僅提升了系統(tǒng)的輸入功率，而且降低了開關(guān)管的電流應(yīng)力，發(fā)射端利用三個(gè)LC環(huán)節(jié)來升壓，接收端利用CLC網(wǎng)絡(luò)來降壓，實(shí)現(xiàn)了1.47kW級別的輸出。文獻(xiàn)[54-55]采用CLC-S拓?fù)溲a(bǔ)償E類變換器，如圖9b所示，利用該拓?fù)潆妷罕蒙淖饔檬沟脴O板電壓遠(yuǎn)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(jī)構(gòu)的高壓需求之間的矛盾，既降低了開關(guān)管的電壓應(yīng)力，又保證了較高的傳輸效率。

圖9 電壓泵升補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

2.2.3 降低參數(shù)敏感性

對ECPT系統(tǒng)傳能影響最大的因素就是耦合機(jī)構(gòu)的耦合電容值，耦合電容值稍微發(fā)生變化，系統(tǒng)傳輸性能就會(huì)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(dǎo)致ECPT系統(tǒng)的參數(shù)敏感性很高。因此利用補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)來降低系統(tǒng)的參數(shù)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(bào)紙，肚子填飽了，報(bào)紙也看完了，便把報(bào)紙一團(tuán)，扔進(jìn)路邊垃圾桶，朝一處僻靜的電話亭走去。

文獻(xiàn)[56]針對ECPT參數(shù)時(shí)變導(dǎo)致系統(tǒng)頻率漂移的問題，提出一種利用電容矩陣實(shí)現(xiàn)調(diào)諧控制的方法，如圖10a所示，相當(dāng)于諧振電感固定，用電容矩陣補(bǔ)償耦合電容的值，以穩(wěn)定系統(tǒng)諧振頻率，使得系統(tǒng)始終維持在軟開關(guān)工作狀態(tài)，保持系統(tǒng)性能最優(yōu)。文獻(xiàn)[57]分析了LCL補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)敏感性，求解了系統(tǒng)電壓增益相對變化率小于40%的4個(gè)參數(shù)選值區(qū)間，實(shí)現(xiàn)高階ECPT系統(tǒng)的低參數(shù)敏感性工作。文獻(xiàn)[19]發(fā)現(xiàn)同側(cè)極板之間的交叉耦合是導(dǎo)致系統(tǒng)對耦合容值敏感的主要原因，因此該文獻(xiàn)在同側(cè)耦合電容旁并聯(lián)了大電容，在LCL拓?fù)涞幕A(chǔ)上設(shè)計(jì)了LCLC拓?fù)?，如圖10b所示，降低了系統(tǒng)的參數(shù)敏感性，提升了傳輸距離；文獻(xiàn)[20]對LCLC拓?fù)溥M(jìn)行改進(jìn)，提出了一種新型CLLC拓?fù)洌鐖D10c所示，可以有效降低諧振電感，減小體積，但無論是哪種拓?fù)洌夹枰?個(gè)調(diào)諧元件，系統(tǒng)體積較大且較為復(fù)雜；文獻(xiàn)[58-59]提出了一種基于LC補(bǔ)償?shù)乃神詈舷到y(tǒng)，將8個(gè)調(diào)諧元件簡化為4個(gè)，如圖10d所示，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)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(jù)實(shí)際應(yīng)用場景謹(jǐn)慎選擇圖10c和圖10d這兩種拓?fù)洹?/p>

圖10 降低參數(shù)敏感度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

除了上述無源補(bǔ)償外，文獻(xiàn)[60-62]提出了一種新型有源補(bǔ)償結(jié)構(gòu)——單脈沖開關(guān)有源電容器（One Pulse Switching Active Capacitor, OPSAC），如圖10e所示，電路無需LC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和任何反饋回路，使用三電平操作和級聯(lián)操作即可提高系統(tǒng)的輸出功率，但只驗(yàn)證了其理論可行性，沒有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，還有待進(jìn)一步研究。文獻(xiàn)[25, 63-68]采用升降壓變壓器來實(shí)現(xiàn)電壓泵升的功能，如圖10f所示，發(fā)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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)僅用于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配或諧振的功能。其中，文獻(xiàn)[68]分析了變壓器漏感對系統(tǒng)性能的影響，提出利用變壓器漏感補(bǔ)償耦合電容的方法，降低了系統(tǒng)的參數(shù)敏感性，提高了效率，減小了體積。

表3從補(bǔ)償方式、頻率、距離、功率/效率、特性等方面總結(jié)了國內(nèi)外現(xiàn)有研究的常見補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)類型，旨在為后續(xù)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。綜上可得，經(jīng)過近年的研究，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)已經(jīng)趨于成熟，尤其是無源補(bǔ)償領(lǐng)域，可應(yīng)用的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)多種多樣，輸出功率大多可以達(dá)到1kW以上，輸出效率大多超過80%，基本能夠滿足所有應(yīng)用場合的需要。由于不同的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)具有不同的特性，在設(shè)計(jì)實(shí)際電路時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)想要實(shí)現(xiàn)的具體功能選擇相應(yīng)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)具體應(yīng)用場景優(yōu)化補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的調(diào)諧參數(shù)，以便達(dá)到最優(yōu)性能。

表3 現(xiàn)有研究的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)類型

Tab.3 The types of compensation network in current research

3 系統(tǒng)控制

3.1 系統(tǒng)建模方法

不同于MCPT系統(tǒng)中常用的耦合模理論和電路理論，ECPT系統(tǒng)的建模方法尚未統(tǒng)一，主要原因在于電場耦合機(jī)構(gòu)的不同電容等效模型對應(yīng)的系統(tǒng)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(jìn)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(tǒng)建模方法。

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

3.2 優(yōu)化控制策略

目前關(guān)于ECPT系統(tǒng)優(yōu)化控制的研究相對較少，還處于初始探索階段。

文獻(xiàn)[1]針對ECPT系統(tǒng)存在的傳輸距離短、補(bǔ)償電感大以及傳輸效率低等問題，以傳輸效率為目標(biāo)函數(shù)，提出一種結(jié)合非線性規(guī)劃和自適應(yīng)遺傳算法的優(yōu)化方法，在一定傳輸距離下得到一組能滿足系統(tǒng)零相位、低激勵(lì)電壓和小補(bǔ)償電感的最優(yōu)系統(tǒng)參數(shù)，并使系統(tǒng)在滿足所需輸出功率的條件下效率最高。文獻(xiàn)[65, 68]針對最大功率輸出時(shí)系統(tǒng)效率僅達(dá)50%的問題，提出了一種新型控制策略，利用最大效率點(diǎn)跟蹤算法（Maxium Pouer Point Tracking, MPPT）動(dòng)態(tài)調(diào)控DC-DC變換器的占空比，使電路在最大功率點(diǎn)的輸出效率達(dá)到70%。文獻(xiàn)[72]則利用鎖相環(huán)使半橋逆變器的開關(guān)頻率始終緊跟諧振頻率，實(shí)現(xiàn)了工作頻率自動(dòng)追蹤。文獻(xiàn)[73]針對高階系統(tǒng)的PID控制器最優(yōu)參數(shù)難以設(shè)計(jì)的難題，基于GSSA模型，利用多目標(biāo)多約束遺傳算法（Non Dominated Sorting Genetic Algorithm-Ⅱ, NSGA-Ⅱ）對PID控制參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)尋優(yōu)，改善了魯棒性能，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[42]在文獻(xiàn)[73]的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，考慮了所有參數(shù)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(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)。

3.3 能量與信號并行傳輸控制技術(shù)

綜上可以看出，對ECPT的系統(tǒng)控制研究還較為薄弱。系統(tǒng)建模方法是系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性分析的基礎(chǔ)，優(yōu)化控制策略則又是系統(tǒng)特性的保障，能量與信號并行傳輸技術(shù)是未來研究的重要方向。因此，有必要對ECPT的系統(tǒng)控制開展進(jìn)一步的研究。

4 電磁安全性研究

目前ECPT系統(tǒng)安全性問題主要有兩個(gè)：一是極板本身存在高電壓，誤觸有可能引起危險(xiǎn)；二是極板之間存在高感應(yīng)電場，可能會(huì)導(dǎo)致電場泄露引起危險(xiǎn)。

電磁暴露關(guān)系到人體的健康，尤其是電場泄露會(huì)直接引起人體電神經(jīng)信號的紊亂，相對于磁場泄露危險(xiǎn)性更大，這是電場耦合目前尚未被廣泛應(yīng)用的主要原因。近年來，國內(nèi)外高校和研究機(jī)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)

不同于MCPT系統(tǒng)國際公認(rèn)的Qi和A4WP標(biāo)準(zhǔn)，國際上尚缺乏關(guān)于ECPT系統(tǒng)統(tǒng)一的安全標(biāo)準(zhǔn)，電場屏蔽的標(biāo)準(zhǔn)只能從電磁輻射方面進(jìn)行借鑒，總結(jié)見表4[78-80]。

表4 電磁輻射安全標(biāo)準(zhǔn)

Tab.4 Safety standard for electromagnetic radiation

4.2 屏蔽方案

針對高電壓誤觸問題，現(xiàn)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(shù)也會(huì)影響到耦合電容值，因此需要綜合考慮。

國內(nèi)外主要研究方向都集中在如何防止電場泄露。文獻(xiàn)[81]對比了電場與磁場的屏蔽方法，發(fā)現(xiàn)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(xiàn)[82]提出了一種在平板式結(jié)構(gòu)外部增加金屬屏蔽盒的方法，成功地降低了耦合機(jī)構(gòu)垂直方向上的電場泄露，屏蔽效果良好。文獻(xiàn)[41]提出了一種降低電場泄露的六極板結(jié)構(gòu)，在水平四極板的基礎(chǔ)上增加兩個(gè)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(xiàn)[79]引入了三元件人體阻抗模型，如圖11所示，推導(dǎo)了平板式結(jié)構(gòu)的極板電壓以及放置于極板周圍金屬導(dǎo)體的感應(yīng)電壓計(jì)算公式，提出了一種多約束的參數(shù)設(shè)計(jì)方法，在保證安全性的前提下，達(dá)到滿足系統(tǒng)期望的傳輸功率與效率。文獻(xiàn)[80]將ECPT系統(tǒng)應(yīng)用到電動(dòng)汽車的充電上時(shí)，利用車殼和地面作為屏蔽極板，并根據(jù)安全標(biāo)準(zhǔn)對車殼電壓進(jìn)行優(yōu)化，在保證安全性的情況下實(shí)現(xiàn)了kW級的功率輸出。文獻(xiàn)[83]提出了一種陣列極板式耦合機(jī)構(gòu)，通過控制相鄰極板對的電壓相位，有效減少系統(tǒng)外部的電場輻射，并結(jié)合Maxwell有限元仿真結(jié)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(tǒng)的電磁安全性問題已經(jīng)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(yīng)用、進(jìn)入市場的關(guān)鍵性問題。在后續(xù)的研究中，應(yīng)當(dāng)致力于尋找既能保證絕緣又能提供高介電常數(shù)、低介質(zhì)損耗的耦合介質(zhì)，設(shè)計(jì)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(shù)

目前對ECPT系統(tǒng)的研究還處于起步狀態(tài)，而MCPT系統(tǒng)已經(jīng)趨于成熟，因此部分學(xué)者將目光放在了將二者結(jié)合的方向上。

5.1 減少諧振元件

文獻(xiàn)[84]提出了一種基于LC補(bǔ)償?shù)幕旌鲜綗o線電能傳輸系統(tǒng)，如圖12a所示，令兩種耦合機(jī)構(gòu)互為補(bǔ)償，可以在抗偏移能力更好的情況下簡化電路元件，同時(shí)該文獻(xiàn)還指出磁場耦合機(jī)構(gòu)的連接一定要為異名端，若為同名端則兩耦合會(huì)相互抵消。文獻(xiàn)[85]將PT對稱技術(shù)應(yīng)用到混合耦合系統(tǒng)中，如圖12b所示，可以保證在1.4m范圍內(nèi)，系統(tǒng)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(xiàn)[86]在文獻(xiàn)[84]的基礎(chǔ)上提出一種新型的集成耦合機(jī)構(gòu)，如圖12c所示，將耦合機(jī)構(gòu)切割為長條，然后折疊在一起就可以在一定區(qū)域內(nèi)同時(shí)激勵(lì)出磁場和電場，圖中P1、P2為發(fā)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(gòu)建能量返回路徑，最終實(shí)現(xiàn)了180mm下100W的功率輸出，效率達(dá)到73.6%，為電場與磁場混合耦合技術(shù)提供了新的解決方案。文獻(xiàn)[87]提出了一種CL補(bǔ)償?shù)幕旌像詈舷到y(tǒng)，搭建了另一種結(jié)構(gòu)的混合耦合機(jī)構(gòu)，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(tǒng)分擔(dān)系統(tǒng)總功率，實(shí)現(xiàn)了1kW輸出，效率達(dá)到88.24%。文獻(xiàn)[88]將兩種耦合機(jī)構(gòu)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(dāng)輸出配比為50%時(shí)，電場與磁場之間的相互干擾是最小的。

5.3 功能互補(bǔ)

電場與磁場混合耦合還能實(shí)現(xiàn)功能互補(bǔ)，完成單一耦合無法實(shí)現(xiàn)的功能，例如穿越金屬板傳能。文獻(xiàn)[89]將電場耦合機(jī)構(gòu)放置于電能發(fā)射端，將磁場耦合機(jī)構(gòu)放置于電能接收端，同時(shí)將金屬板作為耦合機(jī)構(gòu)回路的一部分，如圖12f所示。在發(fā)射端通過電場耦合使得金屬層中產(chǎn)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(fā)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(shí)現(xiàn)穿越 2mm 的鋁板傳輸超過 11W 的功率。此項(xiàng)研究成果在很多工業(yè)場景有很好的應(yīng)用前景。

綜上所述可以看出，基于電場與磁場混合耦合技術(shù)的無線電能傳輸系統(tǒng)有著能夠減少諧振元件、減少裝置體積、功能互補(bǔ)等多種優(yōu)點(diǎn)，能夠充分利用兩種傳輸方式的優(yōu)勢，取長補(bǔ)短，從而獲得更好的傳能性能。但將兩者結(jié)合過程中也不可避免地出現(xiàn)一些問題，例如功率分配不均、相互干擾導(dǎo)致效率下降等等。研發(fā)高功率密度、高效率的電場與磁場混合耦合技術(shù)將會(huì)是接下來的熱點(diǎn)研究方向之一。

6 應(yīng)用場景

6.1 常見應(yīng)用領(lǐng)域

與MCPT類似，ECPT同樣可以應(yīng)用于很多領(lǐng)域，例如鐵路、電動(dòng)汽車靜態(tài)充電、無人機(jī)、工程電機(jī)等。

在鐵路領(lǐng)域，文獻(xiàn)[90]類比MCPT系統(tǒng)中的四線圈結(jié)構(gòu)，提出了一種用于ECPT的中繼耦合結(jié)構(gòu)，在原來的MCPT系統(tǒng)中增加兩個(gè)中繼結(jié)構(gòu)，分別與發(fā)射端線圈和接收端線圈磁場耦合，而兩個(gè)中繼結(jié)構(gòu)之間采用電場耦合的方式，這是因?yàn)殍F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(jié)構(gòu)只需要一對金屬極板，可以有效增加耦合電容，提高系統(tǒng)的功率和效率。文獻(xiàn)[91]發(fā)現(xiàn)鐵軌的側(cè)面可以起到冷凝器的作用，因此以鐵軌構(gòu)建返回路徑的傳能效果優(yōu)于以輪胎構(gòu)建的效果。

在電動(dòng)汽車靜態(tài)充電領(lǐng)域，文獻(xiàn)[92]利用汽車四個(gè)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(dá)到了60W。同時(shí)該文獻(xiàn)指出，也可以通過提高極板的電壓來增加極板間的電場強(qiáng)度，從而提高傳輸功率。文獻(xiàn)[93]將汽車底盤寄生電容的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)加以利用，將其轉(zhuǎn)化為阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，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(xué)先后提出了多種用于電動(dòng)汽車充電的拓?fù)?，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(xiàn)[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(gòu)成耦合機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了3.3kW的傳能，安全距離為0.25m，但極板電壓達(dá)到了24 720V，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步考慮安全屏蔽的問題。

在無人機(jī)領(lǐng)域，文獻(xiàn)[63-64]采用了補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、升壓變壓器、逆變器全部置于發(fā)射端的方式，令接收端的電路僅由半導(dǎo)體元件等小型器件組成，降低了負(fù)載端的體積和質(zhì)量，在保證不影響無人機(jī)工作的情況下傳遞了10W左右的功率，達(dá)到了與MCPT系統(tǒng)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(jī)領(lǐng)域，美國威斯康辛大學(xué)在2012年～ 2015年設(shè)計(jì)了諸如多層極板耦合機(jī)構(gòu)、流體動(dòng)力軸承耦合機(jī)構(gòu)、滑動(dòng)軸承耦合機(jī)構(gòu)等多種新型耦合機(jī)構(gòu)，但都由于技術(shù)問題未能付諸應(yīng)用[95-98]；該團(tuán)隊(duì)又于2017年提出將ECPT應(yīng)用到線性運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來替代以往的導(dǎo)線連接的方法，通過改造導(dǎo)軌滑塊的結(jié)構(gòu)，使其構(gòu)成多對耦合電容，并將逆變器連接到導(dǎo)軌上，在滑塊側(cè)連接整流電路，最終搭建了3.66MHz、111.9W 的ECPT系統(tǒng)[99]。

6.2 特殊應(yīng)用領(lǐng)域

除了常見應(yīng)用領(lǐng)域之外，ECPT系統(tǒng)在部分特殊應(yīng)用領(lǐng)域相對于MCPT系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢，例如水下無線充電領(lǐng)域、動(dòng)態(tài)無線充電領(lǐng)域、醫(yī)療設(shè)備和旋轉(zhuǎn)類設(shè)備的無線充電領(lǐng)域等。

水作為傳輸介質(zhì)時(shí)，耦合機(jī)構(gòu)會(huì)同時(shí)產(chǎn)生導(dǎo)電損耗和介電損耗，因此水介質(zhì)與空氣介質(zhì)擁有不同的特性[100]。文獻(xiàn)[54]研究表明，當(dāng)采用海水作為耦合介質(zhì)時(shí)，極間距不會(huì)影響耦合機(jī)構(gòu)的等效電容值，這是與空氣作為耦合介質(zhì)的重大區(qū)別。文獻(xiàn)[101]對水下ECPT系統(tǒng)的耦合機(jī)構(gòu)進(jìn)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(xiàn)指出直接暴露在海水中的金屬極板，由于海水的導(dǎo)電性，可以看成是一個(gè)電阻，因此該系統(tǒng)可認(rèn)為是雙極板ECPT系統(tǒng)，且無需嚴(yán)格的位置要求。該文獻(xiàn)還發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)傳輸效率與海水的離子濃度有關(guān)，但沒有給出具體相關(guān)性。文獻(xiàn)[102-103]研究表明當(dāng)頻率在200MHz以下時(shí)，淡水的導(dǎo)電損耗在整體損耗中占主導(dǎo)地位，而頻率高于200MHz時(shí)，介電損耗占主導(dǎo)。文獻(xiàn)[104]在其基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，水下ECPT系統(tǒng)傳能效率主要取決于耦合機(jī)構(gòu)的耦合系數(shù)與空載水介質(zhì)的品質(zhì)因數(shù)的乘積，因此該文獻(xiàn)提出了一種能夠提升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，從而提升了系統(tǒng)效率。文獻(xiàn)[105]提出了一種帶緩沖阻尼器的新型耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，在20mm的傳輸距離下，輸出1kW的功率，效率可以達(dá)到90%。

在動(dòng)態(tài)無線充電應(yīng)用中，MCPT系統(tǒng)需要在很長一段距離上全程鋪設(shè)高頻利茲線圈以激發(fā)磁場，損耗和成本很高[106-107]，而ECPT系統(tǒng)僅需要采用廉價(jià)的金屬極板，其損耗低、成本低。文獻(xiàn)[108]提出了一種F型補(bǔ)償拓?fù)?，可以有效抑制接收端移除引起的逆變器開關(guān)管電壓電流沖擊，保證發(fā)射端在空載時(shí)能自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。文獻(xiàn)[109]提出了一種利用耦合電容作為虛擬開關(guān)的“接收控制”型混合耦合機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了接收端移開時(shí)，發(fā)射端不產(chǎn)生空載損耗及漏磁輻射，系統(tǒng)最大輸出功率為 120W，最高效率達(dá) 81.42%。文獻(xiàn)[110]利用雙極板結(jié)構(gòu)ECPT系統(tǒng)給電動(dòng)摩托車充電，在3m長的鋁箔上實(shí)現(xiàn)了200W的功率輸出，但效率較低，還有待進(jìn)一步改進(jìn)。

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(huì)在醫(yī)療設(shè)備的金屬表面產(chǎn)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(yī)療設(shè)備的正常工作也不會(huì)造成干擾，因此ECPT系統(tǒng)在植入式醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域極具應(yīng)用價(jià)值。文獻(xiàn)[24]首創(chuàng)性地將極板嵌入人體內(nèi)，完成了對嵌入式醫(yī)療設(shè)備的充電。文獻(xiàn)[111]創(chuàng)新性地提出將皮膚作為耦合介質(zhì)以增大傳能效率，最終實(shí)現(xiàn)了為1mm2大小、厚度5cm的植入設(shè)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(xiàn)[112]通過在生物體內(nèi)外放入耦合極板來形成耦合電容，實(shí)現(xiàn)為36 cm2大小、厚度2cm的植入設(shè)備充電，傳輸功率為100mW，效率在40%左右；同時(shí)該文獻(xiàn)也發(fā)現(xiàn)，因?yàn)槿梭w組織電阻率較低，對電場有較強(qiáng)的衰減和屏蔽效果，所以效率比常規(guī)無線電能傳輸系統(tǒng)要低很多。文獻(xiàn)[113-114]以猴子作為實(shí)驗(yàn)對象，研究了基于柔性電極的植入式設(shè)備ECPT系統(tǒng)，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(fā)現(xiàn)經(jīng)由身體組織的ECPT系統(tǒng)的最佳工作頻率在100～200MHz之間，但是該研究要求人體內(nèi)的接收極板與體外發(fā)射極板必須正對，限制了其靈活性。

目前向可旋轉(zhuǎn)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(huì)產(chǎn)生比較強(qiáng)的電磁干擾影響傳感，而且長久工作狀態(tài)下容易導(dǎo)致電刷損壞[27]，如果采用MCPT系統(tǒng)，又會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的線圈纏線問題，因此采用ECPT系統(tǒng)成為最優(yōu)的解決方案。文獻(xiàn)[16]首先提出了能夠應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)類設(shè)備的圓盤式與圓筒式兩種耦合結(jié)構(gòu)，對比發(fā)現(xiàn)圓筒式結(jié)構(gòu)的耦合電容值比圓盤式要高；文獻(xiàn)[98]將空氣動(dòng)力流體軸承應(yīng)用到旋轉(zhuǎn)電容器結(jié)構(gòu)，通過最小化電容分離距離，最大化相對面積，保證靜止與運(yùn)動(dòng)表面之間的電容耦合最大化，通過不同規(guī)格的流體軸承設(shè)計(jì)可以令耦合電容比平板式結(jié)構(gòu)大100倍。

圖13總結(jié)了目前ECPT系統(tǒng)的主要應(yīng)用場景。在大多數(shù)常見應(yīng)用領(lǐng)域中，ECPT系統(tǒng)與MCPT系統(tǒng)具有同樣的效果，可進(jìn)行等量替代，而在部分特殊應(yīng)用領(lǐng)域中，ECPT擁有比MCPT明顯的優(yōu)勢。因此，研究ECPT系統(tǒng)勢在必行。

圖13 ECPT系統(tǒng)應(yīng)用場景

7 結(jié)論

本文系統(tǒng)分析和綜述了近年來國內(nèi)外ECPT技術(shù)的研究成果，具體從耦合機(jī)構(gòu)、電路結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)控制、電磁安全、電場與磁場混合耦合、應(yīng)用場景六個(gè)方面，分別詳細(xì)論述了研究現(xiàn)狀、技術(shù)特點(diǎn)、適用場合和存在的問題。

總體而言，目前ECPT技術(shù)的研究正處在攻堅(jiān)克難的關(guān)鍵階段，仍需進(jìn)一步完善和應(yīng)用現(xiàn)有理論，爭取原理上的創(chuàng)新與突破。在未來的研究中，可以考慮將研究重點(diǎn)放在以下兩個(gè)方面：一是解決ECPT實(shí)際應(yīng)用的難題，例如研究雙極板結(jié)構(gòu)ECPT系統(tǒng)以減小裝置體積，研究ECPT系統(tǒng)的優(yōu)化控制算法以增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)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(jīng)成熟應(yīng)用到MCPT系統(tǒng)上的技術(shù)類比應(yīng)用到ECPT系統(tǒng)上，例如研發(fā)高功率密度、高效率的電場與磁場混合耦合技術(shù)或?qū)⒂罘Q時(shí)間對稱技術(shù)、分?jǐn)?shù)階技術(shù)等新型無線電能傳輸技術(shù)，并將其應(yīng)用到ECPT系統(tǒng)中以提升系統(tǒng)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(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（51437005）、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金（2020A1515010763）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（2019ZD07）和“攀登計(jì)劃”廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項(xiàng)資金（pdjh2020b0041）資助項(xiàng)目。

2021-03-01

2021-03-22

于 宙 男，1997年生，碩士研究生，研究方向?yàn)闊o線電能傳輸機(jī)理及其應(yīng)用。E-mail：epyuzhou@mail.scut.edu.cn

肖文勛 男，1978年生，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闊o線電能傳輸機(jī)理及其應(yīng)用。E-mail：xiaowx@scut.edu.cn（通信作者）

（編輯 郭麗軍）