图1 典型WPT系统结构
Fig.1 Typical WPT system structure diagram
摘要 电场耦合式无线电能传输（ECPT）是一种通过金属极板之间的耦合电容实现能量无线传输的技术，以其良好的传能特性、不产生涡流、成本低、损耗低等优点获得了广泛的关注，成为当下无线电能传输研究的一个热点。该文首先介绍ECPT技术的发展历程和基本原理；然后对近年来国内外ECPT技术的研究成果进行分析和系统综述，具体论述ECPT的耦合机构、电路结构、系统控制、电磁安全、电场与磁场混合耦合等方面的各种技术的特性、改进过程、适用场合和存在的问题，并总结了适用于不同应用场景的ECPT技术；最后对未来研究方向进行展望。
关键词：无线电能传输电场 耦合式无线电能传输 耦合 机构补偿网络 电磁安全
近年来，随着科技的发展和社会的进步，无线电能传输（Wireless Power Transmission, WPT）正在逐渐走入人们的生活，并且已经连续两年被世界经济论坛（World Economic Forum,WEF）列为对世界影响最大、最有可能为全球面临的挑战提供答案的十大新兴技术之一[1-2]，具有很强的潜力。
根据传输原理[3-7]，无线电能传输可以分为近场的电场耦合式无线电能传输（Electric-field Coupled Wireless Power Transmission, ECPT）与磁场耦合式无线电能传输（Magnetic-field Coupled Wireless Power Transmission, MCPT），以及远场的电磁辐射式无线电能传输（Electromagnetic Radiant Wireless Power Transmission, ERPT）。其中，电场耦合式无线电能传输又称电容耦合式电能传输（Capacitively Coupled Power Transmission, CCPT）、或电容式电能传输（Capacitive Power Transmission, CPT），是一种通过电场进行无线电能传输的方式。在高频交变电流的作用下，耦合机构的发射极板与接收极板间形成交互电场，继而产生位移电流，从而实现无线电能传输[8]。典型ECPT系统结构如图1a所示，由高频逆变器、补偿网络、耦合机构、整流电路和负载五部分组成。图中的耦合机构是最常见的平板式四极板结构，其中P1和P2为发射端极板，P3和P4为接收端极板，并且P1和P3为一对极板，用于从发射端向接收端传输能量，P2和P4为一对极板，用于构建能量从接收端到发射端的返回路径，后面的图中若无特殊标注则均采用此种排列组合方式。典型MCPT系统如图1b所示，对比图1a、图1b可以发现，ECPT系统的电路结构与MCPT系统结构类似，唯一不同点是耦合机构，磁场耦合式通常采用的是由高频利兹线绕制成的线圈，而电场耦合式采用的大多为金属极板。
图1 典型WPT系统结构
Fig.1 Typical WPT system structure diagram
相比于MCPT，ECPT具有众多优势[9-10]，具体对比见表1。从表中可以看出，ECPT系统除了在安全性与中远距离充电领域略有不足外，在其他方面相较于MCPT均具有明显优势。
ECPT的基本概念最早由尼古拉·特斯拉于20世纪末提出[11]，但限于当时的科技水平，该技术并未获得更进一步的发展；1966年美国电气工程师C. Paul开发了水下ECPT系统[12]，但效率非常低，仅验证了其可行性；随后ECPT系统的研究进入空窗期，直到2008年新西兰奥克兰大学的A. P. Hu教授成功将其应用于足球机器人的充电上[13]，才将ECPT重新拉回大众视野，但由于后续研究主要集中在短距离小功率领域[14-17]，与MCPT系统差距较大，因此也没有引起广泛关注；2014年美国威斯康辛大学的Ludois博士从理论上证明ECPT系统输出能够达到kW级[18]；2015年圣地亚哥州立大学的Chris Mi教授团队在传输距离为15cm的情况下实现了kW级别的功率传输，并将其成功应用在电动汽车的充电上，才正式掀起了ECPT研究的热潮[19-20]。
表1 MCPT与ECPT对比
Tab.1 Comparison of MCPT and ECPT
磁场耦合式（MCPT）电场耦合式（ECPT） 基于高频磁场，易受金属影响产生涡流基于高频电场，不会产生涡流损耗 无法穿越金属传播可以穿越金属传播 为降低损耗，需用高频利兹线绕制线圈，成本高仅依靠廉价的金属极板就能实现电能传输，质量轻，成本低 为减少泄露，需要铁氧体材料和屏蔽层，质量轻 耦合机构占用空间大，线圈发热明显耦合机构占用空间小，极板发热较低 动态充电需要在一定区域内持续激励磁场，损耗大，成本高只需激励电场，简易便捷 板间距＞1mm传能能力强板间距＜1mm传能能力强 磁场泄露对人体有一定危害性电场泄露直接引起人体神经电信号紊乱，相比磁场泄露危险性更大
现有研究表明，制约ECPT发展的主要因素有三点：一是耦合机构的设计，这是因为耦合电容受距离等参数影响严重，系统对耦合电容值的变化敏感，需要设计良好的耦合机构，保证耦合电容值稳定。二是电路结构的设计，为了降低极板损耗，需要利用升压补偿网络将极板电压升至较高的水平，从而降低极板电流；此外，与MCPT系统类似，高频逆变器等其他电路结构和系统控制策略的设计也至关重要，需要设计高效高稳定性的电路结构，并针对具体应用进行优化。三是安全屏蔽问题，这是由于极板电压过高，金属极板之间存在高电压感应电场，有误触或泄露的风险，因此如何做好电场屏蔽，保证电磁安全是当下最亟待解决的问题。
针对以上三个问题，近年来，国内外学者进行了大量研究，但目前尚未有学者对这些研究成果进行系统地总结。为此，本文将对ECPT的耦合机构、电路结构、系统控制、电磁安全、电场与磁场混合耦合和应用场景六个方面进行系统地分析与综述，以期为ECPT技术的研究与应用提供参考。
电场耦合机构是发射端与接收端能量耦合的关键元件，耦合机构的特性直接影响ECPT系统的传输性能，因此设计良好的耦合机构就成为研究ECPT系统的关键性问题。近年来国内外的学者主要通过三方面展开研究：一是使耦合机构等效电容值更大，以提高无线传输的能量或距离；二是研究不同结构的金属极板，以适应不同的应用场景；三是推导各耦合机构相对应的电容等效模型，以便后续电路建模与设计。
由文献[21]可知，一对带电平行极板的等效电容值为
（1）式中，ε为介电常数；S为相对面积；d为极板间距。可以看出，耦合电容值主要受耦合介质的介电常数、极板相对面积和两侧极板间距的影响。由于相对面积往往受到安装空间的限制，因此介电常数和板间距就成为了影响耦合电容值的重要因素。
由式（1）可得，其他参数一定时，板间距越小，电容值越大，但部分应用场景希望传输距离越大越好，为了解决这种矛盾，学术界衍生出了两种截然不同的研究路径。第一种是尽量缩短发射端极板与接收端极板之间的距离，从而增大耦合电容值，同时也减少了电场泄露，增加了系统安全性。威斯康辛大学的D. C. Ludios教授团队研究发现当板间距小于1mm时，ECPT的传能能力要优于MCPT[10]，因此他们构建了发射端柔性表面以保证两侧极板之间距离足够小，如图2a所示，在540kHz的频率下传输超过1kW的功率，并成功将其应用到Corbin Sparrow电动汽车的充电中[22]。第二种是通过补偿网络的设计降低系统对耦合电容的敏感性，从而提高传输距离，但安全距离也随之变大，仍应进一步考虑安全屏蔽的问题。补偿网络与安全屏蔽的设计分别在2.2.3节与4.2节中介绍。为了提高传输距离，文献[23]类比MCPT系统的中继线圈模型，搭建了ECPT系统的中继耦合机构，如图2b所示，它由两块金属极板组成，外部并联电容和电感构成补偿网络用于谐振，该系统可以在360mm的距离下输出100W的功率，效率达到67%。
图2 耦合机构结构
Fig.2 Structure diagram of coupler
由式（1）可知，当其他参数一定时，介电常数越大，电容值越大。传统ECPT系统通常采用空气作为耦合介质，它的介质常数仅为1，因此所构建的耦合机构等效电容值也相对较小。而采用介电常数更大的介质材料构建耦合机构可以有效增加耦合电容值。文献[16]采用锆钛酸铅作为耦合介质，它的介电常数是空气的2 600倍，可以有效降低系统频率和功率损耗等，同时该文献指出选择耦合介质时不仅需要考虑介电常数，也需要考虑损耗因子以降低功率损耗；文献[24]对比了多种介质材料，最终选用最大介电常数和最低等效串联阻抗的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），并将其成功地应用于医疗设备；文献[25]则就地取材，利用汽车玻璃作为耦合介质，将ECPT应用到电动汽车的充电上，显著提高了电动汽车的充电功率和效率。
最常见的极板结构有三种：平板式、圆盘式、圆筒式，这三种结构的对比见表2[26-27]。其中，平板式结构又包括水平式四极板结构和垂直式四极板结构。由于水平式四极板结构最为简单，应用最为广泛，因此表中采用水平式四极板结构作为平板式结构的例图。
文献[28-29]在文献[19]的基础上优化了水平式四极板结构，提出垂直式四极板结构，又称层叠式结构，如图3a所示，能够增加同侧耦合电容值，并设计了双LCL拓扑用于补偿耦合电容，降低系统的参数敏感性，有效节省电路元件和空间体积。文献[30]发现层叠式结构周围漏电场的大小主要取决于外侧极板电压的高低，因此该文献对其进行改进，将低压极板置于外侧，高压极板置于内侧，如图3b所示，不仅降低了系统的参数敏感性，而且降低了系统的电场泄露，提高了系统的安全性。
表2 极板结构的对比
Tab.2 Comparison of plate structures
平板式圆盘式圆筒式 结构图 复杂程度简单较复杂复杂 耦合电容小较小大 抗偏移性差好好 交叉耦合有有无 应用领域广泛旋转类旋转类
图3 四极板结构
Fig.3 Structure diagram of four plate
为了增强耦合机构的抗偏移能力，文献[31]提出了一种具有矩阵型发射端的ECPT系统，如图3c所示，其中P极板为发射端，S极板为接收端，无论负载位置如何，只要S极板位于P极板范围内，该系统都能保持稳定的电压输出，但文献未考虑到不同极板间的交叉耦合，具有一定的误差；文献[32]提出了一种类似叶绿素细胞结构的接收端极板阵列结构，如图3d所示，其中矩形极板Sx为发射极板，六边形极板Pnm为接收极板阵列，并以此为基础搭建了位置自由的ECPT系统，但该系统需要为每个六边形极板配备接收电路，增加了成本和复杂度。
上述提到的极板结构均为四极板结构，即耦合机构由两对极板组成，一对用于发射端向接收端传输能量，另一对用于构建电流返回路径，虽然研究比较成熟，但结构较为复杂。相比之下，双极板结构无需构建能量返回路径，仅用一对极板即可实现能量的无线传输，如图4所示，具有比四极板结构简单、占用空间小、成本低等优点，正在逐渐引起人们关注。文献[33]提出了一种新型的双极板ECPT系统，可以传输4W的功率，效率32%，验证了该结构的可行性；文献[34]针对双极板结构的极板电压值过高的问题，采用四分之一波长谐振器将极板电压降低一半，与同等情况下的四极板结构保持一致，提高了双极板结构的安全性；文献[35-36]针对双极板ECPT系统在距离增加时功率和效率大幅下降的问题，提出了非线性宇称时间（Parity Time, PT）对称单线ECPT系统，能够实现变距离条件下的恒功率与恒效率输出，但只验证了其理论可能性，并没有实验验证；文献[37-38]利用负载金属的自电容效应，构建了一条虚拟的电流传输路径，从而将四极板结构简化为双极板结构，能在10cm的板间距下，以超过50%效率传递50W功率。综合现有研究可以看出，双极板结构通常是通过接地或者利用周边环境的杂散电容来构建能量返回路径，因此其等效电路模型与四极板结构是相同的，仅在实际应用中有所差别。但由于目前对于双极板结构的研究还处于初始阶段，采用与四极板结构同样的补偿网络和分析方法往往导致功率效率很低，因此有待进一步研究，寻求突破。
图4 双极板结构
Fig.4 Structure diagram of two plate
ECPT系统与MCPT系统最大的不同点在于耦合机构的不同，磁场耦合机构通常由高频利兹线绕制成的线圈构成，在系统建模中可以等效为互感模型，而电场耦合机构则多由金属极板构成，缺乏统一的等效建模方法。
常见水平式四极板耦合机构存在的耦合电容如图5a所示，共有6个交叉耦合电容。最初研究的学者通常会忽略其他交叉耦合电容，仅考虑存在较大相对面积的主耦合电容[15-16]，即C13与C24，表示为Cs1与Cs2，电容值由式（1）确定，直至现在，仍有很多文献采用此种两电容等效模型，虽然简便，但误差较大；文献[39-40]类比于磁场耦合系统的互感模型提出了一种互容等效模型，如图5b所示，首次引入术语“电容耦合系数”，相比之前的方法更加精确，但并未详细计算电容模型中各个电容值。文献[20]在文献[39-40]的基础上，根据基尔霍夫定律精准计算各个电容之间的等效关系，提出更精确的交叉耦合电容模型，成为目前应用最广泛的电容等效模型，如图5c所示，等效公式为
（2）
图5 耦合机构的电容等效模型
Fig.5 Capacitance equivalent model of coupler
文献[41]提出了一种电磁安全性更好的六极板结构，利用星形—三角形变换和基尔霍夫定律将其等效为一个由受控源和电容构成的三端口网络，彻底解决了电容等效模型问题；文献[42]发现当采用式（2）所示的交叉耦合电容模型时，用仪器测量出板耦合电容值并非单独的两极板电容值，而是包含的任意两极了其他极板影响的电容值，因此该文献在交叉耦合电容模型的基础上又推导出更加精确的耦合电容等效数学模型和计算方法，为后续的电路结构设计打下坚实的基础。
图6总结了目前已知有关电场耦合机构的研究内容。综上可知，电场耦合机构应当根据应用场景的要求，结合实际情况进行设计，例如根据传能距离的要求选择不同的设计思路；根据负载应用的要求选择不同结构的极板；根据研究的侧向重点选择不同的电容等效模型等。可以看出，电场耦合机构的研究还不够完备，缺乏统一的设计方法和电容等效模型，追求更大的耦合电容值，适用于不同应用场景的极板结构以及更精确的电容等效模型，仍然是未来研究的重点方向。
图6 电场耦合机构研究内容
Fig.6 Research contents of electric field coupler
在大部分应用场景中，输入电源是工频交流电或直流电，负载为直流负载。因此，在ECPT系统中，需要用电力电子变换器将输入电源变换成可用于无线电能传输的高频交流电，以及将接收端接收到的交流电转化为可供负载使用的直流电。
文献[13]提出了一种电流馈电型推挽变换器，如图7a所示，该变换器的独特之处在于，驱动开关管所需要的功率和控制信号都直接从主电路获得，无需控制电路即可实现软开关。文献[15]用两个半导体开关代替二极管构成改进全桥整流器，如图7b所示，实现了半导体器件的软开关，以及输出的有功功率控制，有效降低了系统损耗。文献[43]对比推挽逆变器与E类逆变器，发现E类逆变器电路结构更简单，输出功率更高，可控性更高；但推挽逆变器抗偏移能力更强，效率更高。文献[44]设计了基于全桥逆变器和全桥整流器的ECPT系统，如图7c所示，通过电路谐振，在4MHz的工作频率下输出3.7W的功率，效率能够达到80%。文献[45]对比了常见的多种逆变器结构，分析了它们的优缺点，最终采用双E类逆变器解决了E类逆变器工作时电压应力过高的问题，如图7d所示。文献[46]修改了标准Cuk变换器、SEPIC变换器、Zeta变换器和准谐振Buck-Boost变换器四种单有源开关拓扑结构以适应ECPT系统，发现不同变换器电路之间的主要区别是耦合电容上的平均电压，最终选择了性能最佳的准谐振Buck-Boost变换器，并更名为SLLD结构，如图7e所示，实现了200kHz下1kW的功率输出，效率高于90%。文献[47]针对SLLD结构串联电感漏感较大的问题，增加谐振电感降低漏感，将SLLD转化为E2类变换器，如图7f所示，将电路从准谐振状态提升为全谐振状态，降低了工作频率，提高了输出功率。
图7 采用电力电子变换器的ECPT系统
Fig.7 ECPT system with power electronic converter
综上可以看出，目前可应用于MCPT系统的电力电子变换器只需稍加改造，均可直接应用于ECPT系统，重点在于根据实际应用场景和所需功能选择合适的变换器以及实现器件软开关。
由于ECPT系统发射端与接收端之间耦合电容较小，因此通常需要加入补偿网络以改善负载特性、实现电压泵升功能或降低系统参数敏感性。
2.2.1 负载特性
与MCPT系统类似，加入补偿网络的主要目的是减小无功功率，提高输出功率和效率，实现不同的负载特性，例如恒压或恒流特性等。
早期的研究大多采用电感串联补偿的方式，虽然结构简单，但输出功率往往不足10W，效率也达不到50%，实用性差。文献[48]发现ECPT系统的传输功率等级与耦合机构的品质因数有很大关系，因此该文献采用LCL补偿网络对耦合机构进行补偿，如图8a所示，将系统的功率因数提升至传统的十倍以上，将输出功率提升到25W，效率提高到80%。文献[49]提出了一种电流源型ECPT系统，如图8b所示，L1与C1构成电源变换网络N1，将逆变器的电压型输出转化为电流型输出，使通过耦合电容的耦合电流具有电流源特性，近似与负载变化和耦合电容变化无关。文献[50]提出了一种基于T型CLC补偿网络的恒压型ECPT系统，如图8c所示，能够实现系统输出电压与负载无关和空载条件下负载自适应的特性。文献[51]提出一种输出电压与负载无关的恒压CLLC-L拓扑，如图8d所示，同时为了防止无源谐振元件被高电压击穿，根据元件电压值对系统进行了参数优化。文献[52]提出一种基于F-F/T 变结构谐振网络的恒压-恒流型ECPT系统，如图8e所示，该系统通过控制切换开关可以实现接收端T网络与F网络的自由切换，在T网络下能够恒压输出，在F网络下能够恒流输出。
图8 负载特性补偿网络
Fig.8 Load characteristic compensation network
2.2.2 电压泵升
ECPT系统中的补偿网络与MCPT系统的最大不同点在于：除了调谐和阻抗匹配外，它还要起到电压泵升的作用。所谓电压泵升指的是利用补偿网络的升压效果将极板电压升至很高的级别，通常在kV以上，根据能量守恒定律，此时极板电流就会变得很低，从而降低极板损耗。
文献[53]提出了一种基于多级LC拓扑的双发射电路，如图9a所示，通过将两个全桥逆变器并联的方式不仅提升了系统的输入功率，而且降低了开关管的电流应力，发射端利用三个LC环节来升压，接收端利用CLC网络来降压，实现了1.47kW级别的输出。文献[54-55]采用CLC-S拓扑补偿E类变换器，如图9b所示，利用该拓扑电压泵升的作用使得极板电压远高于变换器的输出电压，有效地解决了E类变换器MOS管的低压需求和耦合机构的高压需求之间的矛盾，既降低了开关管的电压应力，又保证了较高的传输效率。
图9 电压泵升补偿网络
Fig.9 Voltage pumping compensation network
2.2.3 降低参数敏感性
对ECPT系统传能影响最大的因素就是耦合机构的耦合电容值，耦合电容值稍微发生变化，系统传输性能就会明显下降，而耦合电容值又极易受到传能距离等因素的影响，导致ECPT系统的参数敏感性很高。因此利用补偿网络的设计来降低系统的参数敏感性也十分重要。
文献[56]针对ECPT参数时变导致系统频率漂移的问题，提出一种利用电容矩阵实现调谐控制的方法，如图10a所示，相当于谐振电感固定，用电容矩阵补偿耦合电容的值，以稳定系统谐振频率，使得系统始终维持在软开关工作状态，保持系统性能最优。文献[57]分析了LCL补偿网络的参数敏感性，求解了系统电压增益相对变化率小于40%的4个参数选值区间，实现高阶ECPT系统的低参数敏感性工作。文献[19]发现同侧极板之间的交叉耦合是导致系统对耦合容值敏感的主要原因，因此该文献在同侧耦合电容旁并联了大电容，在LCL拓扑的基础上设计了LCLC拓扑，如图10b所示，降低了系统的参数敏感性，提升了传输距离；文献[20]对LCLC拓扑进行改进，提出了一种新型CLLC拓扑，如图10c所示，可以有效降低谐振电感，减小体积，但无论是哪种拓扑，都需要8个调谐元件，系统体积较大且较为复杂；文献[58-59]提出了一种基于LC补偿的松耦合系统，将8个调谐元件简化为4个，如图10d所示，并同时实现了恒压恒流输出，但输出功率与效率略微下降，因此需要根据实际应用场景谨慎选择图10c和图10d这两种拓扑。
图10 降低参数敏感度补偿网络
Fig.10 Compensation network for reducing parameter sensitivity
除了上述无源补偿外，文献[60-62]提出了一种新型有源补偿结构——单脉冲开关有源电容器（One Pulse Switching Active Capacitor, OPSAC），如图10e所示，电路无需LC补偿网络和任何反馈回路，使用三电平操作和级联操作即可提高系统的输出功率，但只验证了其理论可行性，没有进行实验验证，还有待进一步研究。文献[25, 63-68]采用升降压变压器来实现电压泵升的功能，如图10f所示，发射端采用升压变压器来升压，接收端采用降压变压器来降压，补偿网络仅用于实现阻抗匹配或谐振的功能。其中，文献[68]分析了变压器漏感对系统性能的影响，提出利用变压器漏感补偿耦合电容的方法，降低了系统的参数敏感性，提高了效率，减小了体积。
表3从补偿方式、频率、距离、功率/效率、特性等方面总结了国内外现有研究的常见补偿网络类型，旨在为后续补偿网络的设计提供指导。综上可得，经过近年的研究，补偿网络的设计已经趋于成熟，尤其是无源补偿领域，可应用的补偿网络多种多样，输出功率大多可以达到1kW以上，输出效率大多超过80%，基本能够满足所有应用场合的需要。由于不同的补偿网络具有不同的特性，在设计实际电路时，应当根据想要实现的具体功能选择相应的补偿网络，根据具体应用场景优化补偿网络的调谐参数，以便达到最优性能。
表3 现有研究的补偿网络类型
Tab.3 The types of compensation network in current research
补偿方式补偿网络文献年份阶数频率/kHz距离/mm功率/W效率(%)特性 无源补偿电容矩阵[56]2013二阶2640——保证谐振频率稳定 双LC[58]2018二阶1 50018015070松耦合ECPT系统，恒流恒压输出 LCL[48]2012三阶1 000—2580提高功率因数，倍增负载电流 电流源型[49]2015三阶2000.02＜2＜82.7耦合电流与负载和耦合电容无关 T型CLC[50]2020三阶50013580恒压输出和负载自适应 双LCLC[19]2015四阶1 0001502 40090.8降低系统对耦合容值敏感性 双CLLC[20]2016四阶1 0001502 57089.3有效降低谐振电感值 CLLC-L[51]2018四阶6501502 12089输出电压与负载无关 F-F/T型[52]2019四阶5001.5＜100＜85通过控制开关的切换实现电压泵升以及恒压与恒流输出的切换 CLC-S[54]2019四阶50020.1256电压泵升，水下ECPT系统 多级LC[53]2019六阶500221 47090.6两发射电路并联，提升输出功率，降低开关管电流 有源补偿OPSAC[60]2010—10——无需LC补偿和反馈回路 变压器补偿变压器[63]2017—6 7800877无需LC补偿网络
不同于MCPT系统中常用的耦合模理论和电路理论，ECPT系统的建模方法尚未统一，主要原因在于电场耦合机构的不同电容等效模型对应的系统建模方法有所不同。若等效为最简单的两电容等效模型，则可以直接采用电路理论以及基尔霍夫定律对电路进行分析；若等效为互容等效模型或交叉耦合电容等效模型，则通常采用叠加定理和近似基波（Fundamental Harmonic Approximation, FHA）原理建模分析[14, 19-20, 23]；除此之外，还有一些其他的系统建模方法。
文献[14]首次采用频闪映射法对ECPT系统建模，分析了开关管的零电压开通频率以及稳态电压波形等；文献[69]同样利用频闪映射法建模，准确确定了ECPT系统的四个稳态工作点，通过画分岔图检测参数变化对ZCS周期的影响，研究表明在谐振频率点的工作性能最佳；文献[70-71]采用广义状态空间平均法（Generalized State-Space Averaging, GSSA）模型对ECPT系统建模，并依托该模型分析了ECPT系统的稳态和暂态过程，分析结果与仿真一致；文献[35-36]将耦合模理论应用到ECPT系统的分析中，得到了与MCPT系统相似的方程。
目前关于ECPT系统优化控制的研究相对较少，还处于初始探索阶段。
文献[1]针对ECPT系统存在的传输距离短、补偿电感大以及传输效率低等问题，以传输效率为目标函数，提出一种结合非线性规划和自适应遗传算法的优化方法，在一定传输距离下得到一组能满足系统零相位、低激励电压和小补偿电感的最优系统参数，并使系统在满足所需输出功率的条件下效率最高。文献[65, 68]针对最大功率输出时系统效率仅达50%的问题，提出了一种新型控制策略，利用最大效率点跟踪算法（Maxium Pouer Point Tracking, MPPT）动态调控DC-DC变换器的占空比，使电路在最大功率点的输出效率达到70%。文献[72]则利用锁相环使半桥逆变器的开关频率始终紧跟谐振频率，实现了工作频率自动追踪。文献[73]针对高阶系统的PID控制器最优参数难以设计的难题，基于GSSA模型，利用多目标多约束遗传算法（Non Dominated Sorting Genetic Algorithm-Ⅱ, NSGA-Ⅱ）对PID控制参数进行自动寻优，改善了鲁棒性能，提升系统的稳定性。文献[42]在文献[73]的基础上加以改进，考虑了所有参数取值范围合理的约束条件，采用KNGSA-II算法和肯特映射法得到了ECPT系统的最优参数。
目前，ECPT系统设计更关注于能量的无线传输，但在很多应用领域中不仅需要能量的无线传输，还要实现能量与信号的并行传输。而ECPT领域的能量与信号并行传输的研究尚少，主要局限于信号传递主导的小功率能量传输[74]。文献[75]将ECPT应用在电能与信号独立传输的生物信号仪表系统中，能够有效提升隔离效果。文献[76]设计了一种基于ECPT的芯片间通信解决方案，利用芯片之间的等效电容完成信号的传输，其特点是高速、低功耗，不需要额外的晶片处理，但该方案中的传输等效电容上消耗了极大的能量，传输能力较弱。文献[77]提出一种基于方波载波占空比调制的能量与信号并行传输方法，进一步扩展了信道带宽，简化了信号调制难度，提升了信号传递速率，降低了信源开关频率，并简化了信号与能量波形的分离环节。
综上可以看出，对ECPT的系统控制研究还较为薄弱。系统建模方法是系统稳态特性和动态特性分析的基础，优化控制策略则又是系统特性的保障，能量与信号并行传输技术是未来研究的重要方向。因此，有必要对ECPT的系统控制开展进一步的研究。
目前ECPT系统安全性问题主要有两个：一是极板本身存在高电压，误触有可能引起危险；二是极板之间存在高感应电场，可能会导致电场泄露引起危险。
电磁暴露关系到人体的健康，尤其是电场泄露会直接引起人体电神经信号的紊乱，相对于磁场泄露危险性更大，这是电场耦合目前尚未被广泛应用的主要原因。近年来，国内外高校和研究机构均在加紧该方面的研究，以便尽快将其推入市场。
不同于MCPT系统国际公认的Qi和A4WP标准，国际上尚缺乏关于ECPT系统统一的安全标准，电场屏蔽的标准只能从电磁辐射方面进行借鉴，总结见表4[78-80]。
表4 电磁辐射安全标准
Tab.4 Safety standard for electromagnetic radiation
标准频率要求 国际非电离辐射防护委员会ICNIRP20103kHz～10kHz人体接触电场强度应小于83V/m IEC电压安全标准＞100kHz三元件人体阻抗模型中Rb两端电压的峰值应当小于35V 美国电子电气工程师协会电磁场安全分会IEEEC95. 1100kHz～1.34MHz人体接触电场强度应小于614V/m IEEE人体接触射频电磁场安全水平标准100kHz ～110MHz流经人体的电流有效值不能超过16.7mA
针对高电压误触问题，现有研究较少，主要方法多为在金属板表面增加绝缘层[54]，以防止人体误触，但绝缘层的介电常数也会影响到耦合电容值，因此需要综合考虑。
国内外主要研究方向都集中在如何防止电场泄露。文献[81]对比了电场与磁场的屏蔽方法，发现金属墙虽然无法屏蔽磁场，但是对电场的屏蔽十分有效。文献[82]提出了一种在平板式结构外部增加金属屏蔽盒的方法，成功地降低了耦合机构垂直方向上的电场泄露，屏蔽效果良好。文献[41]提出了一种降低电场泄露的六极板结构，在水平四极板的基础上增加两个额外的极板用于屏蔽，将安全距离从0.6m降低至0.1m，屏蔽效果显著。文献[79]引入了三元件人体阻抗模型，如图11所示，推导了平板式结构的极板电压以及放置于极板周围金属导体的感应电压计算公式，提出了一种多约束的参数设计方法，在保证安全性的前提下，达到满足系统期望的传输功率与效率。文献[80]将ECPT系统应用到电动汽车的充电上时，利用车壳和地面作为屏蔽极板，并根据安全标准对车壳电压进行优化，在保证安全性的情况下实现了kW级的功率输出。文献[83]提出了一种阵列极板式耦合机构，通过控制相邻极板对的电压相位，有效减少系统外部的电场辐射，并结合Maxwell有限元仿真结果，表明在使用8块极板的情况下能够减少40%的外部电场辐射。
图11 三元件人体阻抗模型
Fig.11 Three element human body impedance model
综上所述可以看出，虽然对于ECPT系统的电磁安全性问题已经有一定的研究，但是仍无法完全避免其安全隐患。电磁安全性问题仍然是阻碍ECPT推广应用、进入市场的关键性问题。在后续的研究中，应当致力于寻找既能保证绝缘又能提供高介电常数、低介质损耗的耦合介质，设计更加安全可靠的电场屏蔽措施等。
目前对ECPT系统的研究还处于起步状态，而MCPT系统已经趋于成熟，因此部分学者将目光放在了将二者结合的方向上。
文献[84]提出了一种基于LC补偿的混合式无线电能传输系统，如图12a所示，令两种耦合机构互为补偿，可以在抗偏移能力更好的情况下简化电路元件，同时该文献还指出磁场耦合机构的连接一定要为异名端，若为同名端则两耦合会相互抵消。文献[85]将PT对称技术应用到混合耦合系统中，如图12b所示，可以保证在1.4m范围内，系统能以77%的恒定效率输出70W的恒定功率。
图12 电场与磁场混合耦合系统
Fig.12 Hybrid coupling system of electric-field and magnetic-field
为减少装置体积，文献[86]在文献[84]的基础上提出一种新型的集成耦合机构，如图12c所示，将耦合机构切割为长条，然后折叠在一起就可以在一定区域内同时激励出磁场和电场，图中P1、P2为发射极板，P3、P4为接收极板，并且P1、P3为一对极板，用于传递能量，P2、P4为一对极板，用于构建能量返回路径，最终实现了180mm下100W的功率输出，效率达到73.6%，为电场与磁场混合耦合技术提供了新的解决方案。文献[87]提出了一种CL补偿的混合耦合系统，搭建了另一种结构的混合耦合机构，如图12d所示，利用金属极板屏蔽磁场，降低了安全距离，利用MCPT系统分担系统总功率，实现了1kW输出，效率达到88.24%。文献[88]将两种耦合机构集成到同一块印制电路板（Printed Circuit Board, PCB）上，如图12e所示，充分减小了装置体积，而且可以控制二者的输出配比，当输出配比为50%时，电场与磁场之间的相互干扰是最小的。
电场与磁场混合耦合还能实现功能互补，完成单一耦合无法实现的功能，例如穿越金属板传能。文献[89]将电场耦合机构放置于电能发射端，将磁场耦合机构放置于电能接收端，同时将金属板作为耦合机构回路的一部分，如图12f所示。在发射端通过电场耦合使得金属层中产生交变的位移电流，在接收端将这一段具有位移电流的金属板作为磁场耦合的单匝发射线圈，用带有磁心的多匝接收线圈耦合并获得位移电流所携带的能量，从而实现穿越 2mm 的铝板传输超过 11W 的功率。此项研究成果在很多工业场景有很好的应用前景。
综上所述可以看出，基于电场与磁场混合耦合技术的无线电能传输系统有着能够减少谐振元件、减少装置体积、功能互补等多种优点，能够充分利用两种传输方式的优势，取长补短，从而获得更好的传能性能。但将两者结合过程中也不可避免地出现一些问题，例如功率分配不均、相互干扰导致效率下降等等。研发高功率密度、高效率的电场与磁场混合耦合技术将会是接下来的热点研究方向之一。
与MCPT类似，ECPT同样可以应用于很多领域，例如铁路、电动汽车静态充电、无人机、工程电机等。
在铁路领域，文献[90]类比MCPT系统中的四线圈结构，提出了一种用于ECPT的中继耦合结构，在原来的MCPT系统中增加两个中继结构，分别与发射端线圈和接收端线圈磁场耦合，而两个中继结构之间采用电场耦合的方式，这是因为铁轨和地面可以作为中继线圈的电流返回路径，因此中继耦合结构只需要一对金属极板，可以有效增加耦合电容，提高系统的功率和效率。文献[91]发现铁轨的侧面可以起到冷凝器的作用，因此以铁轨构建返回路径的传能效果优于以轮胎构建的效果。
在电动汽车静态充电领域，文献[92]利用汽车四个车轮的金属轮圈作为接收极板，增大了耦合面积，传输功率达到了60W。同时该文献指出，也可以通过提高极板的电压来增加极板间的电场强度，从而提高传输功率。文献[93]将汽车底盘寄生电容的复杂网络加以利用，将其转化为阻抗匹配网络，极大地提升了功率传输密度，传输功率近600W。2015年后，美国圣地亚哥州立大学先后提出了多种用于电动汽车充电的拓扑，效率均超过90%[19-20]，也正式将ECPT的功率等级提升到kW级别。文献[66]将汽车底盘和地面等效为一对极板，与另一对额外的金属极板共同构成耦合机构，实现了3.3kW的传能，安全距离为0.25m，但极板电压达到了24 720V，应当进一步考虑安全屏蔽的问题。
在无人机领域，文献[63-64]采用了补偿网络、升压变压器、逆变器全部置于发射端的方式，令接收端的电路仅由半导体元件等小型器件组成，降低了负载端的体积和质量，在保证不影响无人机工作的情况下传递了10W左右的功率，达到了与MCPT系统同等的功率传输效果[94]，但效率只有70%，还有待提高。
在工程电机领域，美国威斯康辛大学在2012年～ 2015年设计了诸如多层极板耦合机构、流体动力轴承耦合机构、滑动轴承耦合机构等多种新型耦合机构，但都由于技术问题未能付诸应用[95-98]；该团队又于2017年提出将ECPT应用到线性运动机构来替代以往的导线连接的方法，通过改造导轨滑块的结构，使其构成多对耦合电容，并将逆变器连接到导轨上，在滑块侧连接整流电路，最终搭建了3.66MHz、111.9W 的ECPT系统[99]。
除了常见应用领域之外，ECPT系统在部分特殊应用领域相对于MCPT系统具有明显优势，例如水下无线充电领域、动态无线充电领域、医疗设备和旋转类设备的无线充电领域等。
水作为传输介质时，耦合机构会同时产生导电损耗和介电损耗，因此水介质与空气介质拥有不同的特性[100]。文献[54]研究表明，当采用海水作为耦合介质时，极间距不会影响耦合机构的等效电容值，这是与空气作为耦合介质的重大区别。文献[101]对水下ECPT系统的耦合机构进行改造，一对金属极板直接暴露在海水中，另一对金属极板表面附着绝缘材料后再置于水下。该文献指出直接暴露在海水中的金属极板，由于海水的导电性，可以看成是一个电阻，因此该系统可认为是双极板ECPT系统，且无需严格的位置要求。该文献还发现系统传输效率与海水的离子浓度有关，但没有给出具体相关性。文献[102-103]研究表明当频率在200MHz以下时，淡水的导电损耗在整体损耗中占主导地位，而频率高于200MHz时，介电损耗占主导。文献[104]在其基础上发现，水下ECPT系统传能效率主要取决于耦合机构的耦合系数k与空载水介质的品质因数Q的乘积，因此该文献提出了一种能够提升系统kQ的设计方法，从而提升了系统效率。文献[105]提出了一种带缓冲阻尼器的新型耦合机构设计方法，在20mm的传输距离下，输出1kW的功率，效率可以达到90%。
在动态无线充电应用中，MCPT系统需要在很长一段距离上全程铺设高频利兹线圈以激发磁场，损耗和成本很高[106-107]，而ECPT系统仅需要采用廉价的金属极板，其损耗低、成本低。文献[108]提出了一种F型补偿拓扑，可以有效抑制接收端移除引起的逆变器开关管电压电流冲击，保证发射端在空载时能自动进入待机状态。文献[109]提出了一种利用耦合电容作为虚拟开关的“接收控制”型混合耦合机构，实现了接收端移开时，发射端不产生空载损耗及漏磁辐射，系统最大输出功率为 120W，最高效率达 81.42%。文献[110]利用双极板结构ECPT系统给电动摩托车充电，在3m长的铝箔上实现了200W的功率输出，但效率较低，还有待进一步改进。
ECPT的金属极板尺寸最小可以做到μm级，相比线圈更方便嵌入人体，而且它不会在医疗设备的金属表面产生涡流，也避免了对生物组织造成的热伤害，其电磁干扰小，对其他医疗设备的正常工作也不会造成干扰，因此ECPT系统在植入式医疗设备领域极具应用价值。文献[24]首创性地将极板嵌入人体内，完成了对嵌入式医疗设备的充电。文献[111]创新性地提出将皮肤作为耦合介质以增大传能效率，最终实现了为1mm2大小、厚度5cm的植入设备无线充电，充电功率约为0.5mW，充电效率为0.39 %，虽然功率与效率都很低，但证明了这种方式的可行性。文献[112]通过在生物体内外放入耦合极板来形成耦合电容，实现为36 cm2大小、厚度2cm的植入设备充电，传输功率为100mW，效率在40%左右；同时该文献也发现，因为人体组织电阻率较低，对电场有较强的衰减和屏蔽效果，所以效率比常规无线电能传输系统要低很多。文献[113-114]以猴子作为实验对象，研究了基于柔性电极的植入式设备ECPT系统，耦合面积为4cm2、传输深度为7mm、传输功率为120mW、传输效率超过50%。此外，研究人员还发现经由身体组织的ECPT系统的最佳工作频率在100～200MHz之间，但是该研究要求人体内的接收极板与体外发射极板必须正对，限制了其灵活性。
目前向可旋转部件供电的方式大多是通过“集电-电刷”方式，这种电能供给方式不仅会产生比较强的电磁干扰影响传感，而且长久工作状态下容易导致电刷损坏[27]，如果采用MCPT系统，又会产生复杂的线圈缠线问题，因此采用ECPT系统成为最优的解决方案。文献[16]首先提出了能够应用于旋转类设备的圆盘式与圆筒式两种耦合结构，对比发现圆筒式结构的耦合电容值比圆盘式要高；文献[98]将空气动力流体轴承应用到旋转电容器结构，通过最小化电容分离距离，最大化相对面积，保证静止与运动表面之间的电容耦合最大化，通过不同规格的流体轴承设计可以令耦合电容比平板式结构大100倍。
图13总结了目前ECPT系统的主要应用场景。在大多数常见应用领域中，ECPT系统与MCPT系统具有同样的效果，可进行等量替代，而在部分特殊应用领域中，ECPT拥有比MCPT明显的优势。因此，研究ECPT系统势在必行。
图13 ECPT系统应用场景
Fig.13 Application scenarios of ECPT system
本文系统分析和综述了近年来国内外ECPT技术的研究成果，具体从耦合机构、电路结构、系统控制、电磁安全、电场与磁场混合耦合、应用场景六个方面，分别详细论述了研究现状、技术特点、适用场合和存在的问题。
总体而言，目前ECPT技术的研究正处在攻坚克难的关键阶段，仍需进一步完善和应用现有理论，争取原理上的创新与突破。在未来的研究中，可以考虑将研究重点放在以下两个方面：一是解决ECPT实际应用的难题，例如研究双极板结构ECPT系统以减小装置体积，研究ECPT系统的优化控制算法以增强系统稳定性或者是寻求更安全可靠的屏蔽措施以避免电场逃逸等安全隐患；二是将已经成熟应用到MCPT系统上的技术类比应用到ECPT系统上，例如研发高功率密度、高效率的电场与磁场混合耦合技术或将宇称时间对称技术、分数阶技术等新型无线电能传输技术，并将其应用到ECPT系统中以提升系统性能等。
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Abstract 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.
Keywords: Wireless power transmission, electric-field coupled wireless power transmission, coupler, compensating network, electromagnetic safety
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210258
中图分类号：TM724
国家自然科学基金重点项目（51437005）、广东省基础与应用基础研究基金（2020A1515010763）、中央高校基本科研业务费专项资金（2019ZD07）和“攀登计划”广东大学生科技创新培育专项资金（pdjh2020b0041）资助项目。
收稿日期 2021-03-01
改稿日期 2021-03-22
于 宙 男，1997年生，硕士研究生，研究方向为无线电能传输机理及其应用。E-mail：epyuzhou@mail.scut.edu.cn
肖文勋 男，1978年生，副教授，硕士生导师，研究方向为无线电能传输机理及其应用。E-mail：xiaowx@scut.edu.cn（通信作者）
（编辑 郭丽军）