无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）技术是指综合应用电工理论、电力电子技术、控制理论与技术等，利用磁场、电场、微波等载体实现电能从电网或电池以非电气接触的方式传输至用电设备。该技术极大提升了用电设备取电的灵活性、可靠性和安全性，正逐步走入人们生活与工业制造的相关领域。

目前常用的两种无线电能传输方式分别为磁场耦合式无线电能传输（Magnetic Coupled Wireless Power Transfer, MC-WPT）和电场耦合式无线电能传输（Electric-field Coupled Wireless Power Transfer, EC-WPT）。近年来，磁场耦合式无线电能传输在理论和技术上不断突破，面向工业化应用也较为成熟。电场在许多特性上与磁场相似，而且两者在基本理论上也呈现出对偶性，因此国内外研究学者对电场耦合式无线电能传输技术高度关注并展开了研究。

电场耦合式无线电能传输系统采用电场作为电能传输载体，具有以下优点：耦合机构简易轻薄、形状易变、成本低；在工作状态时电场耦合机构的绝大部分电通量分布于电极之间，对周围环境的电磁干扰小；可以穿越金属障碍传能；在耦合机构周围及其之间的金属导体上产生涡流损耗甚小。

围绕电场耦合式无线电能传输系统的研究，目前国内外团队已在系统拓扑、系统建模与动力学分析、耦合机构、系统参数设计与优化、能量信号并行传输、系统安全性和系统应用等方面取得了一系列的成果。

但是这些研究成果主要是针对双电容耦合系统，其系统的耦合机构需要采用两对金属极板构成完整的电气回路，从而将电能从发射端传输到接收端，而两对耦合极板往往会引起以下问题：由于电场耦合式无线电能传输系统的高驱动频率，耦合极板的交叉耦合随着耦合距离的增加将更加显著，这在增加系统复杂度的同时影响了电能传输；难以实现穿越金属传能；两对金属极板严重制约了电场耦合式无线电能传输技术在二维平面移动设备的无线供电中的应用。

单电容耦合无线电能传输（Single Capacitive Coupled Wireless Power Transfer, SCC-WPT，也被称为Single-wire Capacitance Power Transfer）是指只通过一对金属极板且没有直接的电气连接回路实现电能传输的技术，其系统示意图如图1所示。

图1 SCC-WPT系统框图

相比于传统的双电容电场耦合式无线电能传输方式，单电容耦合无线电能传输系统的耦合机构只需一对金属极板，不仅降低了系统成本，还克服了传统电场耦合式无线电能传输方式的交叉耦合电容，更有利于穿越金属传能，且该方式下可以把发射极板做得较大，非常适用于二维平面移动的一个或多个设备的无线供电。多设备的单电容耦合无线电能传输系统示意图如图2所示。

图2 多设备的SCC-WPT系统示意图

从以往的研究中可以看出，现有的单电容耦合无线电能传输系统存在着输出功率小和传输效率较低等问题，这也使得人们对单电容耦合无线电能传输技术没有给予足够的关注，严重制约了该技术的工程应用和进一步发展。

在传统的电场耦合式无线电能传输技术的研究基础之上，重庆大学自动化学院、无线电能传输技术国家级国际联合研究中心的刘哲、苏玉刚、邓仁为、钱林俊、戴欣，在2022年第17期《电工技术学报》上撰文，对单电容耦合无线电能传输系统的拓扑结构和参数设计方法进行研究，给出一种可使系统输出功率和效率大幅度提升的拓扑结构和两种参数设计方法。基于提出的拓扑和参数设计方法搭建实验样机，通过实验对系统的能效特性、输出特性和抗偏移性能进行研究。

图3 实验装置

实验结果表明，该拓扑和参数设计方法能够大幅度提升系统的传输功率和传输效率。采用LC配谐方法时，实验样机输出功率达到1.24kW，效率达到91.9%；采用LCC配谐方法时实验样机输出功率达到1.43kW，效率达到85.9%。对于同样的系统拓扑，采用不同的参数设计方法可以分别使系统具有恒压特性或者恒流特性，且都具有较好的抗偏移性能，可以满足不同的工程需求。

科研人员指出，该研究成果给单电容耦合无线电能传输技术提供了新的研究思路，表明单电容耦合无线电能传输技术是一个非常值得关注的研究方向，有很好的应用前景，将有利于促进单电容耦合无线电能传输系统的机理研究和该技术的进一步发展。

本文编自2022年第17期《电工技术学报》，论文标题为“基于双边LC补偿的单电容耦合无线电能传输系统”。本课题得到国家自然科学基金资助项目的支持。