科研簡報：電場耦合式無線電能傳輸技術的電磁安全性研究進展

近年來，隨著科技的發展和社會的進步，無線電能傳輸正在逐漸走入人們的生活，並且已經連續兩年被世界經濟論壇列為對世界影響最大、最有可能為全球面臨的挑戰提供答案的十大新興技術之一，具有很強的潛力。

根據傳輸原理，無線電能傳輸可以分為近場的電場耦合式無線電能傳輸（ECPT）與磁場耦合式無線電能傳輸（MCPT），以及遠場的電磁輻射式無線電能傳輸（ERPT）。

電場耦合式無線電能傳輸是一種透過金屬極板之間的耦合電容實現能量無線傳輸的技術，以其良好的傳能特性、不產生渦流、成本低、損耗低等優點獲得了廣泛的關注，成為當下無線電能傳輸研究的一個熱點。電場耦合式無線電能傳輸技術除了在安全性與中遠距離充電領域略有不足外，在其他方面相較於磁場耦合式無線電能傳輸均具有明顯優勢。

現有研究表明，制約電場耦合式無線電能傳輸技術發展的主要因素有三點：一是耦合機構的設計；二是電路結構的設計；三是安全遮蔽問題，這是由於極板電壓過高，金屬極板之間存在高電壓感應電場，有誤觸或洩露的風險，因此如何做好電場遮蔽，保證電磁安全是當下最亟待解決的問題。

目前電場耦合式無線電能傳輸系統安全性問題主要有兩個：一是極板本身存在高電壓，誤觸有可能引起危險；二是極板之間存在高感應電場，可能會導致電場洩露引起危險。電磁暴露關係到人體的健康，尤其是電場洩露會直接引起人體電神經訊號的紊亂，相對於磁場洩露危險性更大，這是電場耦合目前尚未被廣泛應用的主要原因。近年來，國內外高校和研究機構均在加緊該方面的研究，以便儘快將其推入市場。

1 電磁輻射安全標準

不同於磁場耦合式無線電能傳輸系統國際公認的Qi和A4WP標準，國際上尚缺乏關於電場耦合式無線電能傳輸系統統一的安全標準，電場遮蔽的標準只能從電磁輻射方面進行借鑑，總結見表1。

表1 電磁輻射安全標準

2 遮蔽方案

針對高電壓誤觸問題，現有研究較少，主要方法多為在金屬板表面增加絕緣層，以防止人體誤觸，但絕緣層的介電常數也會影響到耦合電容值，因此需要綜合考慮。

國內外主要研究方向都集中在如何防止電場洩露。

有學者對比了電場與磁場的遮蔽方法，發現金屬牆雖然無法遮蔽磁場，但是對電場的遮蔽十分有效。

有學者提出了一種在平板式結構外部增加金屬遮蔽盒的方法，成功地降低了耦合機構垂直方向上的電場洩露，遮蔽效果良好。

有學者提出了一種降低電場洩露的六極板結構，在水平四極板的基礎上增加兩個額外的極板用於遮蔽，將安全距離從0。6m降低至0。1m，遮蔽效果顯著。

有學者引入了三元件人體阻抗模型，如圖1所示，推導了平板式結構的極板電壓以及放置於極板周圍金屬導體的感應電壓計算公式，提出了一種多約束的引數設計方法，在保證安全性的前提下，達到滿足系統期望的傳輸功率與效率。

有學者將ECPT系統應用到電動汽車的充電上時，利用車殼和地面作為遮蔽極板，並根據安全標準對車殼電壓進行最佳化，在保證安全性的情況下實現了kW級的功率輸出。

有學者提出了一種陣列極板式耦合機構，透過控制相鄰極板對的電壓相位，有效減少系統外部的電場輻射，並結合Maxwell有限元模擬結果，表明在使用8塊極板的情況下能夠減少40%的外部電場輻射。

圖1 三元件人體阻抗模型

綜上所述可以看出，雖然對於電場耦合式無線電能傳輸系統的電磁安全性問題已經有一定的研究，但是仍無法完全避免其安全隱患。電磁安全性問題仍然是阻礙電場耦合式無線電能傳輸推廣應用、進入市場的關鍵性問題。在後續的研究中，應當致力於尋找既能保證絕緣又能提供高介電常數、低介質損耗的耦合介質，設計更加安全可靠的電場遮蔽措施等。

本文編自2022年第5期《電工技術學報》，論文標題為“電場耦合式無線電能傳輸技術的發展現狀”，作者為於宙、肖文勳 等。第一作者為於宙，碩士研究生；通訊作者為肖文勳，副教授，碩士生導師，研究方向為無線電能傳輸機理及其應用。本課題得到了國家自然科學基金重點專案、廣東省基礎與應用基礎研究基金、中央高校基本科研業務費專項資金和“攀登計劃”廣東大學生科技創新培育專項資金的資助。