重庆大学科研人员发表电场耦合无线电能传输技术的研究综述

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近年来，电场耦合无线电传输（EC-WPT）技术已经迅速发展，并且通过传输功率和传输距离的数量级得到了改善。 Qing Xiaodong and Su Yugang, researchers from the School of Automation and International Joint Research Center of Radio Energy Transmission Technology, wrote an article in the 17th issue of the Journal of Electrical Technology in 2021. They summarized the concept of EC-WPT technology in relevant domestic and foreign literature, briefly introduced the basic working principle of the EC-WPT system, discussed the theoretical research results of EC-WPT technology that have guiding value in system modeling, electric field coupling机理，高频电源转换器，谐振网络，控制方法以及电力和信号的平行传输。他们分析了EC-WPT技术在消费电子，可植入的医疗设备，工业制造，电动汽车和水下设备领域的应用，并专注于五个方面：单电容器无线电能源传输，跨金属能量传输，电场耦合机制损失模型，磁场损失模型和电场耦合和电场耦合杂交系统和安全性系统和安全性。他们解释并讨论了EC-WPT技术未来值得关注的研究方向。

无线功率传输（WPT）技术是指全面应用电理论，电力技术和控制理论的技术，并使用磁场，电场，微波炉等以非电信接触方式将电能从电网或电池传输到电气设备。该技术可以有效地解决由传统有线撤回方法引起的设备灵活性和安全性危害有限的问题。正是由于无线电传输技术的创新性和应用潜力，该技术被世界经济论坛评为“新兴技术前十大技术”之一，这些技术对世界经济论坛在2012年和2013年连续两年都对未来的人类生活方式产生了重大影响。

目前，无线电能源传输系统可以主要分为磁耦合无线电能量传输（MC-WPT），电场耦合无线电能传输（EC-WPT），激光无线电能量传输（光电电源传输，MPT），微波无线电能量传输（MPT），超声波无线电能量传输（UPT）系统等。

其中，磁耦合无线电传输技术相对成熟，并且使用最广泛。由于电场在许多特征中与磁场相似，并且两者在基本理论中表现出二元性，因此使用电场作为传输介质的电场耦合无线电传输技术也引起了国内外学者的注意。

目前，主要是来自海外研究机构的学者昆明技术大学，中国技术大学，中国矿业与技术大学和重庆大学对EC-WPT技术的各个领域进行研究。

图1 EC-WPT系统的典型结构

在相关的国内和外国文献中，电场耦合无线电传输技术也称为电容性电源传输（CPT），电容性无线电力传输（CWPT），电场耦合电能传输（ECPT）以及电容耦合电力传输（CCPT）技术。

EC-WPT系统使用高频电场来传输电能，并具有以下特征：耦合机制简单，轻，形状变化和低成本；系统的总体电磁干扰很低。它可以在金属障碍物上传递能量。由耦合机构之间或周围的金属导体引起的涡流损失非常小。因此，研究EC-WPT技术可以与MC-WPT技术相互补充，并进一步扩展WPT技术的应用领域。

经过近年的发展，EC-WPT技术改善了传输功率，传输效率和传输距离的数量级。从具有短距离（大约毫米），低功率（<100W），低效率（约80％）的系统，中等距离（约300mm）（约300mm），中等功率（> 1000W），中等效率（约90％），在开始时，系统，中等距离（约300mm），中等功率（> 1000W），中等效率（> 1000W）和中等效率（当前的中等效率），在中等距离（> 1000W），中等范围（> 1000W），在中等范围（中等），在中等距离（中等），在中等距离（中等距离） （> 1000W）和中等效率（约90％），它可以在传输距离和传输功率方面满足许多WPT应用程序的需求。

Researchers from Chongqing University introduced the concept of EC-WPT technology in relevant literature, explained the basic working principle of the EC-WPT system, discussed the theoretical research on system modeling, coupling mechanisms, high-frequency power converters, resonant networks, control methods and parallel transmission of electric energy signals, as well as the application of this technology in consumer electronics, implantable medical devices, industrial manufacturing, electric vehicles and水下设备。

研究人员关注五个方面：单电容器无线电传输，跨金属能量传输，电容耦合机理损耗模型，磁场耦合和电场耦合混合WPT系统以及安全问题，并讨论EC-WPT技术未来值得关注的研究方向。

1单个电容器无线电传输

在当前的EC-WPT系统研究中，耦合机制需要两对金属板以形成完整的电路，以从传输端传输电能到接收端。两对耦合板通常会引起以下问题：

①随着耦合距离的增加，多个耦合板的交叉耦合将变得更加显着，这会影响电力的传输，同时增加系统的复杂性。 ②当金属障碍物跨越两个耦合板的耦合面积时，系统很难通过金属屏障传输能量。 ③平行耦合机制所占据的空间很大，并且堆叠耦合机构的设计很复杂，等等。

近年来，国内和外国研究人员在EC-WPT系统的实验中意外发现，仅使用一对金属板时仍可以传输电能，并且其简化电路如图2所示。应该指出的是，单个电容器EC-WPT系统的功率传输端通常是固定的。在某些情况下，可以将功率传输端连接到地面以提高系统的传输功率和效率。单电容器EC-WPT系统的功率传输和接收端仅使用一个金属板作为电极，这可以很好地解决由两对耦合板的问题。因此，单电容器EC-WPT系统的耦合机制更简单，更灵活，并且该系统更容易在金属上传输能量。

图2单电容器无线电传输系统的简化电路拓扑

与传统的EC-WPT系统相比，单个电容耦合无线电传输系统没有以拓扑形式完整的电路，因此，适用于传统EC-WPT系统的分析方法不能直接应用于单电容耦合WPT系统的建模和分析。目前，少数参考资料已经对单电容器无线电传输系统进行了研究，但没有获得与理论和实验完全一致的结果。解释单个电容耦合WPT系统的传输机制是系统中所有研究工作的主要先决条件，并且有必要对其电力传输机制进行深入分析。

单个耦合无线电能量传输是EC-WPT技术的重要分支。研究和促进单个耦合WPT技术的应用和开发将有助于扩展和促进电场耦合无线电能量传输的相关理论和技术的进步。

2跨金属的传输能量

众所周知，电场耦合无线电传输技术可以实现跨金属的能量传输，但是从EC-WPT的研究中，该领域的研究结果很少。金属屏障如图3A所示。当金属屏障位于一对耦合板之间时，金属屏障足够小，几乎不会影响系统的传输性能。因此，EC-WPT系统可以实现跨域金属能传输。

但是，当发生以下情况时：①金属屏障跨越了平行耦合机制的两个耦合板，如图3B所示； ②金属屏障的大小大于耦合板尺寸，并接地，如图3C所示； ③金属屏障大于堆叠耦合机构的尺寸，如图3D所示；系统发射极板和接收板之间的电场分布可能会受到金属屏障的影响或阻塞，并且EC-WPT系统的电能的传输将受到很大的影响，甚至无法传播电力。

图3耦合机构中间的不同形式的金属屏障

在EC-WPT系统上只有少量研究可以跨越金属能量传输，一些学者提出了一种结合电场耦合和磁场耦合的方法，以实现跨金属屏障的能量传输，并使用电场耦合来产生高频交替在金属屏障中交流，从而通过磁场传输电能，从而在磁场上传输电能。此外，金属屏障和EC-WPT系统之间还有耦合电容器，当无法忽略的是系统传输性能。

总而言之开元棋官方正版下载，研究电场耦合机制中金属屏障的电场密度分布非常重要，并确定EC-WPT系统可以越过金属屏障的能量传递边界。在可以越过金属能传递的边界内，研究了金属屏障对系统传输性能的几何参数（空间位置，维度）的影响，从而指导了耦合机理和系统控制的优化设计。

3电容耦合机理损耗模型

经过近年的开发，EC-WPT系统可以达到约90％的传输效率，基本上满足了某些WPT应用程序的需求。但是，与MC-WPT系统相比，需要提高EC-WPT系统的传输效率。对于MC-WPT和EC-WPT系统，可以将损耗分为电力电子设备损耗，耦合机制损失和谐振组件传导损耗。其中，电源电子设备损耗和共振组件传导损耗具有相对完整的分析方法和MC-WPT的解决方案。

但是，EC-WPT系统的耦合机制与MC-WPT系统的耦合机制不同。现有的耦合机制损耗分析仅是两场模型的等效串联电阻。该方法忽略了交叉耦合电容器仅适用于紧密耦合的平行耦合机制，但不适合松散耦合的并行和堆叠的耦合机制。此外，大多数使用堆叠耦合机制的文献都避免了理论分析中耦合机制的损失分析，并且仅从实验的角度给出了实验损失。

总而言之，当前的EC-WPT系统缺乏电场耦合机制的损失模型。因此，特征参数（电磁率，电导率，频率等）和耦合机制的几何参数（尺寸，距离等）对平板上电流密度分布的影响以及耦合机制的损失的影响，并研究了coupling机械的损失机制的损失，从而建立了couting机制的损失。 优化。

4。磁场耦合和电场耦合混合动力WPT系统

MC-WPT和EC-WPT技术是无线电传输技术的两个相对成熟的类别。他们有自己的优势，可以在很大程度上相互补充。近年来，国内和外国学者提出，磁场的混合WPT系统耦合和电场耦合，这可以充分利用MC-WPT系统和EC-WPT系统的优势，以便更好地从电源传输到接收端。这是一个研究方向，可以在未来的研究中关注。

从当前的研究结果来看，磁场耦合和电场耦合的混合WPT系统主要用于实现目标：①增加系统传输功率。一些学者提出了一个混合磁场耦合和电场耦合WPT系统，该系统可以实现更高的系统传输功率。实验装置如图4A所示； ②平行电源和信号传输。一些学者已经建立了一个混合WPT系统，并使用线圈的寄生电容来构建信号传输环。系统拓扑如图4b所示。此外，一些学者将电场耦合和磁场耦合结合在一起，以实现跨金属屏障的能量传输。

图4磁场耦合和电场耦合混合动力WPT系统

但是，作为一个新兴的研究方向，有一些问题需要紧急研究和解决kaiyun官方网站登录入口，包括但不限于：

（1）耦合机制得到了优化，并同时存在磁场耦合机理和电场耦合机制，这增加了耦合机制占据的空间，并使系统更加笨重。因此，优化了集成的混合耦合机制，以使耦合机制占据的空间不那么明显，并且可以有效地使用电场耦合机制来屏蔽磁场辐射。

（2）传输通道是平行的和分离控制的。混合WPT系统有两个能源通道：电场能量传输和磁场能传输，并且可以有多种能量传输模式。研究传输通道的平行和分离控制以满足不同的应用需求。

5个安全问题

安全问题一直是WPT技术中的重要问题，它正成为WPT技术工业化发展的主要限制。微波无线电传输和激光无线电传输技术在传输通道中具有极大的破坏性，并且具有极大的安全危害。它暂时适用于特殊领域。电磁耦合无线电传输技术主要涉及电磁场辐射和涡流损失等问题，因此需要使用其他技术（例如电磁屏蔽和异物检测）来确保系统的安全性。由于电场耦合无线电传输技术将金属板用作电极和高频电场作为变速箱介质，因此EC-WPT技术具有其特殊的安全性。

随着EC-WPT技术的开发，其传输功率和传输距离得到了极大的改善，高功率系统的耦合电极的电压可以达到数千伏甚至数万伏特的电压，因此存在安全隐患。系统的耦合电极可以使用其他绝缘材料和包装进行处理，以防止电击，但是耦合机构的电场将在周围金属体上产生分布式电压，并且在接触金属体时，人体可能有电击的风险。一些学者已经基于人体阻抗模型建立了围绕EC-WPT系统的耦合机理的金属导体的等效模型，从安全的角度有效地指导了EC-WPT系统的设计开yun体育app官网网页登录入口，其等效模型如图5A所示。

图5关于EC-WPT系统安全问题的研究

对于EC-WPT系统的应用，电场辐射必须限于安全范围，以避免人身伤害。一些学者使用外部金属板来保护电场，电场分布如图5B所示。但是，额外的屏蔽板增加了耦合机构的大小，额外的板将影响耦合电容器，从而使系统耦合机构设计更加复杂。一些学者将堆叠耦合机构的低压电极板放在外部，并将高压电极板放在内部，从而通过使用低压电极板有效地减少电场辐射。但是，低压电极板也相对于高压电极板。此方法只能在一定程度上减少电场辐射。

安全是无线电传输技术成熟应用的主要先决条件。 EC-WPT系统的电场辐射，电击风险和异物问题的研究和解决方案是开发EC-WPT技术的关键步骤。

上述研究结果发表在2021年的《电气技术杂志》第17期中。该论文的标题是“电场耦合无线电能源传输技术的摘要”，作者是Qing Xiaodong和Su Yugang。