無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）技術是指綜合應用電工理論、電力電子技術、控制理論與技術等，利用磁場、電場、微波等載體實現電能從電網或電池以非電氣接觸的方式傳輸至用電設備。該技術極大提升了用電設備取電的靈活性、可靠性和安全性，正逐步走入人們生活與工業制造的相關領域。

目前常用的兩種無線電能傳輸方式分別為磁場耦合式無線電能傳輸（Magnetic Coupled Wireless Power Transfer, MC-WPT）和電場耦合式無線電能傳輸（Electric-field Coupled Wireless Power Transfer, EC-WPT）。近年來，磁場耦合式無線電能傳輸在理論和技術上不斷突破，面向工業化應用也較為成熟。電場在許多特性上與磁場相似，而且兩者在基本理論上也呈現出對偶性，因此國內外研究學者對電場耦合式無線電能傳輸技術高度關注并展開了研究。

電場耦合式無線電能傳輸系統采用電場作為電能傳輸載體，具有以下優點：耦合機構簡易輕薄、形狀易變、成本低；在工作狀態時電場耦合機構的絕大部分電通量分布于電極之間，對周圍環境的電磁干擾小；可以穿越金屬障礙傳能；在耦合機構周圍及其之間的金屬導體上產生渦流損耗甚小。

圍繞電場耦合式無線電能傳輸系統的研究，目前國內外團隊已在系統拓撲、系統建模與動力學分析、耦合機構、系統參數設計與優化、能量信號并行傳輸、系統安全性和系統應用等方面取得了一系列的成果。

但是這些研究成果主要是針對雙電容耦合系統，其系統的耦合機構需要采用兩對金屬極板構成完整的電氣回路，從而將電能從發射端傳輸到接收端，而兩對耦合極板往往會引起以下問題：由于電場耦合式無線電能傳輸系統的高驅動頻率，耦合極板的交叉耦合隨著耦合距離的增加將更加顯著，這在增加系統復雜度的同時影響了電能傳輸；難以實現穿越金屬傳能；兩對金屬極板嚴重制約了電場耦合式無線電能傳輸技術在二維平面移動設備的無線供電中的應用。

單電容耦合無線電能傳輸（Single Capacitive Coupled Wireless Power Transfer, SCC-WPT，也被稱為Single-wire Capacitance Power Transfer）是指只通過一對金屬極板且沒有直接的電氣連接回路實現電能傳輸的技術，其系統示意圖如圖1所示。

圖1 SCC-WPT系統框圖

相比于傳統的雙電容電場耦合式無線電能傳輸方式，單電容耦合無線電能傳輸系統的耦合機構只需一對金屬極板，不僅降低了系統成本，還克服了傳統電場耦合式無線電能傳輸方式的交叉耦合電容，更有利于穿越金屬傳能，且該方式下可以把發射極板做得較大，非常適用于二維平面移動的一個或多個設備的無線供電。多設備的單電容耦合無線電能傳輸系統示意圖如圖2所示。

圖2 多設備的SCC-WPT系統示意圖

從以往的研究中可以看出，現有的單電容耦合無線電能傳輸系統存在著輸出功率小和傳輸效率較低等問題，這也使得人們對單電容耦合無線電能傳輸技術沒有給予足夠的關注，嚴重制約了該技術的工程應用和進一步發展。

在傳統的電場耦合式無線電能傳輸技術的研究基礎之上，重慶大學自動化學院、無線電能傳輸技術國家級國際聯合研究中心的劉哲、蘇玉剛、鄧仁為、錢林俊、戴欣，在2022年第17期《電工技術學報》上撰文，對單電容耦合無線電能傳輸系統的拓撲結構和參數設計方法進行研究，給出一種可使系統輸出功率和效率大幅度提升的拓撲結構和兩種參數設計方法。基于提出的拓撲和參數設計方法搭建實驗樣機，通過實驗對系統的能效特性、輸出特性和抗偏移性能進行研究。

圖3 實驗裝置

實驗結果表明，該拓撲和參數設計方法能夠大幅度提升系統的傳輸功率和傳輸效率。采用LC配諧方法時，實驗樣機輸出功率達到1.24kW，效率達到91.9%；采用LCC配諧方法時實驗樣機輸出功率達到1.43kW，效率達到85.9%。對于同樣的系統拓撲，采用不同的參數設計方法可以分別使系統具有恒壓特性或者恒流特性，且都具有較好的抗偏移性能，可以滿足不同的工程需求。

科研人員指出，該研究成果給單電容耦合無線電能傳輸技術提供了新的研究思路，表明單電容耦合無線電能傳輸技術是一個非常值得關注的研究方向，有很好的應用前景，將有利于促進單電容耦合無線電能傳輸系統的機理研究和該技術的進一步發展。

本文編自2022年第17期《電工技術學報》，論文標題為“基于雙邊LC補償的單電容耦合無線電能傳輸系統”。本課題得到國家自然科學基金資助項目的支持。