近年来，随着科技的发展和社会的进步，无线电能传输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，具有很强的潜力。根据传输原理，无线电能传输可以分为近场的电场耦合式无线电能传输（ECPT）与磁场耦合式无线电能传输（MCPT），以及远场的电磁辐射式无线电能传输（ERPT）。

电场耦合式无线电能传输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。电场耦合式无线电能传输技术除了在安全性与中远距离充电领域略有不足外，在其他方面相较于磁场耦合式无线电能传输均具有明显优势。

现有研究表明，制约电场耦合式无线电能传输技术发展的主要因素有三点：一是耦合机构的设计；二是电路结构的设计；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。

目前电场耦合式无线电能传输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。

1 电磁辐射安全标准

不同于磁场耦合式无线电能传输系统国际公认的Qi和A4WP标准，国际上尚缺乏关于电场耦合式无线电能传输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1。

表1 电磁辐射安全标准

2 屏蔽方案

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，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。

• 有学者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。
• 有学者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。
• 有学者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。
• 有学者引入了三元件人体阻抗模型，如图1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。
• 有学者将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。
• 有学者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1 三元件人体阻抗模型

综上所述可以看出，虽然对于电场耦合式无线电能传输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电场耦合式无线电能传输推广应用、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。

本文编自2022年第5期《电工技术学报》，论文标题为“电场耦合式无线电能传输技术的发展现状”，作者为于宙、肖文勋 等。第一作者为于宙，硕士研究生；通讯作者为肖文勋，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。本课题得到了国家自然科学基金重点项目、广东省基础与应用基础研究基金、中央高校基本科研业务费专项资金和“攀登计划”广东大学生科技创新培育专项资金的资助。