1 消費(fèi)電子

由于消費(fèi)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(chǎng)。目前，針對(duì)消費(fèi)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(jī)WP-PD10.Bk系列上，如圖1a和圖1b所示。

2014年韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院將EC-WPT技術(shù)應(yīng)用于三星Galaxy S3手機(jī)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(jī)中。

圖1 EC-WPT技術(shù)應(yīng)用裝置示例

消費(fèi)電子的特點(diǎn)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)易靈活，在消費(fèi)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(jìn)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(duì)深植入生物醫(yī)學(xué)設(shè)備提出了一種基于電場(chǎng)耦合的無線電能傳輸方法，如圖1c所示。新加坡國(guó)立大學(xué)設(shè)計(jì)出工作頻率高達(dá)402MHz的EC-WPT系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于經(jīng)皮電動(dòng)醫(yī)療植入設(shè)備中，如圖1d所示。印度公立大學(xué)針對(duì)神經(jīng)植入式傳感器建立了基于人體組織的電能與信號(hào)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)合多用集電環(huán)、軸承，但老化磨損和碎屑粉塵會(huì)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(dòng)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(dòng)汽車的高功率密度的繞線轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)同步電機(jī)，如圖1e所示。此外，有學(xué)者面向機(jī)器人模塊提出一種雙向電場(chǎng)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(jī)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(jī)、機(jī)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(jī)構(gòu)偏移、功率流控制等問題。

4 電動(dòng)汽車

近年來，以清潔電能為動(dòng)力的電動(dòng)汽車不斷發(fā)展，國(guó)家也在大力推進(jìn)其走入千家萬戶。WPT技術(shù)在電動(dòng)汽車中應(yīng)用廣泛，定點(diǎn)充電使得充電更加便捷安全，動(dòng)態(tài)充電可以有效增加電動(dòng)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(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)圍繞功率密度提升、靜態(tài)/動(dòng)態(tài)供電、抗耦合機(jī)構(gòu)偏移、降低參數(shù)敏感性等多方面進(jìn)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(dòng)汽車為應(yīng)用對(duì)象的實(shí)驗(yàn)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(jì)了一套電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)。紐斯卡爾大學(xué)基于層疊式耦合機(jī)構(gòu)采用LCL-S拓?fù)湓O(shè)計(jì)了一套電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)拓?fù)洳⑶以隈詈蠙C(jī)構(gòu)偏移時(shí)不需要保護(hù)電路。昆明理工大學(xué)面向電動(dòng)汽車的動(dòng)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(shí)給出了一種針對(duì)有軌電車的電場(chǎng)耦合供電的實(shí)施方案?？的螤柎髮W(xué)利用高頻（13.56MHz）和交錯(cuò)箔電感器構(gòu)建了一種面向電動(dòng)汽車充電的EC-WPT系統(tǒng)并實(shí)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(dòng)汽車無線供電應(yīng)用的EC-WPT系統(tǒng)，并對(duì)比了傳輸性能、耦合機(jī)構(gòu)、充電形式等。通過現(xiàn)有文獻(xiàn)可知，EC-WPT系統(tǒng)的傳輸功率多是kW級(jí)，傳輸效率在90%左右，而系統(tǒng)的功率密度有了數(shù)量級(jí)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(zhǎng)的路。此外，相比于定點(diǎn)供電，電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)供電系統(tǒng)具有更高的復(fù)雜性，存在耦合機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)偏移、參數(shù)擾動(dòng)、導(dǎo)軌切換等問題。

表1 電動(dòng)汽車EC-WPT系統(tǒng)的對(duì)比

?5 水下設(shè)備

水下無線電能傳輸技術(shù)是一個(gè)很有意義的研究領(lǐng)域，該技術(shù)可以用于水下自動(dòng)巡航器和水下探測(cè)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(chǎng)會(huì)在海水環(huán)境中產(chǎn)生渦流損耗，這會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的傳輸效率。此外，壓磁效應(yīng)也會(huì)影響MC-WPT系統(tǒng)傳輸性能。

由于EC-WPT技術(shù)特點(diǎn)，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(jì)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(dá)91.3%、傳輸距離為20mm。有學(xué)者提出了一種用于自主水下機(jī)器人（Autonomous Underwater Vehicle, AUV）的雙向EC-WPT系統(tǒng)，能夠更有效地平衡多個(gè)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(dá)200mm的水下電場(chǎng)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(duì)水下EC-WTP技術(shù)提出了更高的要求。海水下存在水流涌動(dòng)影響,耦合機(jī)構(gòu)會(huì)發(fā)生偏移；海水介質(zhì)的電導(dǎo)率不完全一致，會(huì)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(jìn)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(shí)驗(yàn)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(bào)》，論文標(biāo)題為“電場(chǎng)耦合無線電能傳輸技術(shù)綜述”，作者為卿曉東、蘇玉剛。