1 消費電子

由于消費電子受到電源線纏結(jié)和不便的困擾，無線電能傳輸技術(shù)最早應(yīng)用在此之上并且有著廣闊的市場。目前，針對消費電子無線供電，MC-WPT技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，已有PMA無線充電標(biāo)準(zhǔn)和Qi標(biāo)準(zhǔn)。而在EC-WPT方面，2010年日本春田制作有限公司開始將EC-WPT技術(shù)應(yīng)用在日立萬盛iPad2和手機WP-PD10.Bk系列上，如圖1a和圖1b所示。

2014年韓國科學(xué)技術(shù)院將EC-WPT技術(shù)應(yīng)用于三星Galaxy S3手機的無線充電中。2020年，圣地亞哥州立大學(xué)和電子科技大學(xué)提出一種NFC-CPT組合耦合器應(yīng)用在金屬外殼的智能手機中。

圖1 EC-WPT技術(shù)應(yīng)用裝置示例

消費電子的特點是體積小、傳輸距離近、傳輸功率小，而EC-WPT系統(tǒng)在水平面擁有更高的空間自由度、耦合機構(gòu)設(shè)計更加簡易靈活，在消費電子領(lǐng)域中有著較大應(yīng)用潛力。然而，相較于在該領(lǐng)域的MC-WPT系統(tǒng)，EC-WPT系統(tǒng)傳輸效率較低。因此，需要進一步研發(fā)較高充電效率、較高空間自由度的產(chǎn)品。

2 植入式醫(yī)療設(shè)備

近年來，可植入生物醫(yī)學(xué)裝置已經(jīng)成為治療某些疾病的重要方法之一，然而其電池續(xù)航和體積成為其限制條件。因此，EC-WPT技術(shù)可以作為一種有效的解決方案。奧克蘭大學(xué)針對深植入生物醫(yī)學(xué)設(shè)備提出了一種基于電場耦合的無線電能傳輸方法，如圖1c所示。新加坡國立大學(xué)設(shè)計出工作頻率高達402MHz的EC-WPT系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于經(jīng)皮電動醫(yī)療植入設(shè)備中，如圖1d所示。印度公立大學(xué)針對神經(jīng)植入式傳感器建立了基于人體組織的電能與信號并行傳輸模型。

綜合目前EC-WPT植入式醫(yī)療設(shè)備的研究可見，電場耦合無線電能傳輸技術(shù)比較適用于經(jīng)皮植入醫(yī)療設(shè)備充電。此外，該領(lǐng)域的研究關(guān)鍵在于生物體的安全性，即電磁場輻射、安全功率等；其次在于系統(tǒng)微型化，即電路集成、縮小體積；最后需要考慮生物體兼容的問題。

3 工業(yè)制造?

無線電能傳輸技術(shù)可以有效、可靠、安全地提供電能，在工業(yè)制造的相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注。一些場合多用集電環(huán)、軸承，但老化磨損和碎屑粉塵會帶來安全隱患，EC-WPT技術(shù)可以很好地解決上述問題。

有學(xué)者利用滑動軸承靜子和轉(zhuǎn)子之間的寄生電容傳輸電能，消除了有線的電氣連接。有學(xué)者利用EC-WPT技術(shù)構(gòu)建了一種牽引電動汽車的高功率密度的繞線轉(zhuǎn)子磁場同步電機，如圖1e所示。此外，有學(xué)者面向機器人模塊提出一種雙向電場耦合無線電能傳輸方案來平衡模塊之間的能量，如圖1f所示。

EC-WPT的耦合機構(gòu)有良好的可塑性，可以根據(jù)應(yīng)用需求任意設(shè)定形式，尤其適用于旋轉(zhuǎn)式和球式鏈接的應(yīng)用，如電機、機械臂等。因此EC-WPT系統(tǒng)在工業(yè)制造領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力，能夠很好地提升系統(tǒng)的靈活性、安全性。

但是，目前EC-WPT技術(shù)在工業(yè)制造領(lǐng)域的應(yīng)用以靜態(tài)充電系統(tǒng)為主，且沒有形成完善的、系統(tǒng)性的解決方案。此外，面向有自由度的應(yīng)用，還需克服耦合機構(gòu)偏移、功率流控制等問題。

4 電動汽車

近年來，以清潔電能為動力的電動汽車不斷發(fā)展，國家也在大力推進其走入千家萬戶。WPT技術(shù)在電動汽車中應(yīng)用廣泛，定點充電使得充電更加便捷安全，動態(tài)充電可以有效增加電動車?yán)m(xù)航，并且能在一定程度上解決充電樁建設(shè)的問題。

目前，國內(nèi)外研究團隊圍繞功率密度提升、靜態(tài)/動態(tài)供電、抗耦合機構(gòu)偏移、降低參數(shù)敏感性等多方面進行了研究。

密歇根大學(xué)學(xué)者利用高階諧振網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了以電動汽車為應(yīng)用對象的實驗裝置。威斯康辛大學(xué)基于EC-WPT技術(shù)，將接收電極貼在車體尾部用曲面耦合來增大耦合電容，并設(shè)計了一套電動汽車充電系統(tǒng)。紐斯卡爾大學(xué)基于層疊式耦合機構(gòu)采用LCL-S拓撲設(shè)計了一套電動汽車充電系統(tǒng)，簡化了系統(tǒng)拓撲并且在耦合機構(gòu)偏移時不需要保護電路。昆明理工大學(xué)面向電動汽車的動態(tài)充電，提出了一種采用四線圈諧振網(wǎng)絡(luò)的EC-WPT系統(tǒng)，同時給出了一種針對有軌電車的電場耦合供電的實施方案。康奈爾大學(xué)利用高頻（13.56MHz）和交錯箔電感器構(gòu)建了一種面向電動汽車充電的EC-WPT系統(tǒng)并實現(xiàn)高功率密度（49.4kW/m2）和高傳輸效率（94.7%）的電能傳輸。

表1總結(jié)和歸納了近年來用于電動汽車無線供電應(yīng)用的EC-WPT系統(tǒng)，并對比了傳輸性能、耦合機構(gòu)、充電形式等。通過現(xiàn)有文獻可知，EC-WPT系統(tǒng)的傳輸功率多是kW級，傳輸效率在90%左右，而系統(tǒng)的功率密度有了數(shù)量級的提升。此外，EC-WPT系統(tǒng)展現(xiàn)出較好的抗耦合偏移特性。

相比于該領(lǐng)域逐步應(yīng)用的MC-WPT系統(tǒng)，EC-WPT技術(shù)在傳輸功率、傳輸效率等多方面都是有待提升的，離技術(shù)走向?qū)嶋H應(yīng)用還有較長的路。此外，相比于定點供電，電動汽車動態(tài)供電系統(tǒng)具有更高的復(fù)雜性，存在耦合機構(gòu)實時偏移、參數(shù)擾動、導(dǎo)軌切換等問題。

表1 電動汽車EC-WPT系統(tǒng)的對比

?5 水下設(shè)備

水下無線電能傳輸技術(shù)是一個很有意義的研究領(lǐng)域，該技術(shù)可以用于水下自動巡航器和水下探測設(shè)備等的供電，可以很好地解決有線供電方式帶來供電不方便和蓄電池續(xù)航能力不足等問題。近年來，水下無線充電系統(tǒng)主要基于ME-WPT技術(shù)。然而，磁場會在海水環(huán)境中產(chǎn)生渦流損耗，這會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的傳輸效率。此外，壓磁效應(yīng)也會影響MC-WPT系統(tǒng)傳輸性能。

由于EC-WPT技術(shù)特點，水介質(zhì)能有效地增加系統(tǒng)耦合電容，提升系統(tǒng)傳輸能力，因此該技術(shù)是一種在水下無線供電中很有潛力的方法。有學(xué)者設(shè)計了一種應(yīng)用在純水環(huán)境中的EC-WPT系統(tǒng)，其傳輸效率可達91.3%、傳輸距離為20mm。有學(xué)者提出了一種用于自主水下機器人（Autonomous Underwater Vehicle, AUV）的雙向EC-WPT系統(tǒng)，能夠更有效地平衡多個水下設(shè)備的能量，并有效提升續(xù)航能力。有學(xué)者在考慮絕緣層的影響下建立了純水中EC-WPT系統(tǒng)的電路模型，并提出了一種傳輸距離達200mm的水下電場耦合無線電能傳輸系統(tǒng)。

然而由于水下環(huán)境的復(fù)雜性，對水下EC-WTP技術(shù)提出了更高的要求。海水下存在水流涌動影響,耦合機構(gòu)會發(fā)生偏移；海水介質(zhì)的電導(dǎo)率不完全一致，會影響到耦合電極之間的耦合電容；水環(huán)境下的壓力、腐蝕、浮游生物附著等特殊問題也需要進一步考慮。因此，面向水下EC-WPT技術(shù)，應(yīng)當(dāng)綜合考慮海水環(huán)境的特殊性，在結(jié)合有限元仿真和實驗的基礎(chǔ)上，研究適用于水下的穩(wěn)定的、高效的無線電能傳輸方案。

以上研究成果發(fā)表在2021年第17期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“電場耦合無線電能傳輸技術(shù)綜述”，作者為卿曉東、蘇玉剛。