科研简报：电场耦合无线电能传输技术的应用及发展
近年来，电场耦合无线电能传输（EC-WPT）技术迅速发展，在传输功率和传输距离上有了数量级的提升。EC-WPT技术使得用电设备不受常规电线的限制，可以灵活、方便、安全地获取电能，正在逐渐推进到消费电子、植入式医疗设备、工业制造、电动汽车和水下应用等各个方面。
1 消费电子
由于消费电子受到电源线缠结和不便的困扰，无线电能传输技术最早应用在此之上并且有着广阔的市场。目前，针对消费电子无线供电，MC-WPT技术已经逐渐成熟，已有PMA无线充电标准和Qi标准。而在EC-WPT方面，2010年日本春田制作有限公司开始将EC-WPT技术应用在日立万盛iPad2和手机WP-PD10.Bk系列上，如图1a和图1b所示。
2014年韩国科学技术院将EC-WPT技术应用于三星Galaxy S3手机的无线充电中。2020年，圣地亚哥州立大学和电子科技大学提出一种NFC-CPT组合耦合器应用在金属外壳的智能手机中。
图1 EC-WPT技术应用装置示例
消费电子的特点是体积小、传输距离近、传输功率小，而EC-WPT系统在水平面拥有更高的空间自由度、耦合机构设计更加简易灵活，在消费电子领域中有着较大应用潜力。然而，相较于在该领域的MC-WPT系统，EC-WPT系统传输效率较低。因此，需要进一步研发较高充电效率、较高空间自由度的产品。
2 植入式医疗设备
近年来，可植入生物医学装置已经成为治疗某些疾病的重要方法之一，然而其电池续航和体积成为其限制条件。因此，EC-WPT技术可以作为一种有效的解决方案。奥克兰大学针对深植入生物医学设备提出了一种基于电场耦合的无线电能传输方法，如图1c所示。新加坡国立大学设计出工作频率高达402MHz的EC-WPT系统，并将其应用于经皮电动医疗植入设备中，如图1d所示。印度公立大学针对神经植入式传感器建立了基于人体组织的电能与信号并行传输模型。
综合目前EC-WPT植入式医疗设备的研究可见，电场耦合无线电能传输技术比较适用于经皮植入医疗设备充电。此外，该领域的研究关键在于生物体的安全性，即电磁场辐射、安全功率等；其次在于系统微型化，即电路集成、缩小体积；最后需要考虑生物体兼容的问题。
3 工业制造
无线电能传输技术可以有效、可靠、安全地提供电能，在工业制造的相关领域得到广泛关注。一些场合多用集电环、轴承，但老化磨损和碎屑粉尘会带来安全隐患，EC-WPT技术可以很好地解决上述问题。
有学者利用滑动轴承静子和转子之间的寄生电容传输电能，消除了有线的电气连接。有学者利用EC-WPT技术构建了一种牵引电动汽车的高功率密度的绕线转子磁场同步电机，如图1e所示。此外，有学者面向机器人模块提出一种双向电场耦合无线电能传输方案来平衡模块之间的能量，如图1f所示。
EC-WPT的耦合机构有良好的可塑性，可以根据应用需求任意设定形式，尤其适用于旋转式和球式链接的应用，如电机、机械臂等。因此EC-WPT系统在工业制造领域有很大的应用潜力，能够很好地提升系统的灵活性、安全性。
但是，目前EC-WPT技术在工业制造领域的应用以静态充电系统为主，且没有形成完善的、系统性的解决方案。此外，面向有自由度的应用，还需克服耦合机构偏移、功率流控制等问题。
4 电动汽车
近年来，以清洁电能为动力的电动汽车不断发展，国家也在大力推进其走入千家万户。WPT技术在电动汽车中应用广泛，定点充电使得充电更加便捷安全，动态充电可以有效增加电动车续航，并且能在一定程度上解决充电桩建设的问题。
目前，国内外研究团队围绕功率密度提升、静态/动态供电、抗耦合机构偏移、降低参数敏感性等多方面进行了研究。
密歇根大学学者利用高阶谐振网络构建了以电动汽车为应用对象的实验装置。威斯康辛大学基于EC-WPT技术，将接收电极贴在车体尾部用曲面耦合来增大耦合电容，并设计了一套电动汽车充电系统。纽斯卡尔大学基于层叠式耦合机构采用LCL-S拓扑设计了一套电动汽车充电系统，简化了系统拓扑并且在耦合机构偏移时不需要保护电路。昆明理工大学面向电动汽车的动态充电，提出了一种采用四线圈谐振网络的EC-WPT系统，同时给出了一种针对有轨电车的电场耦合供电的实施方案。康奈尔大学利用高频（13.56MHz）和交错箔电感器构建了一种面向电动汽车充电的EC-WPT系统并实现高功率密度（49.4kW/m2）和高传输效率（94.7%）的电能传输。
表1总结和归纳了近年来用于电动汽车无线供电应用的EC-WPT系统，并对比了传输性能、耦合机构、充电形式等。通过现有文献可知，EC-WPT系统的传输功率多是kW级，传输效率在90%左右，而系统的功率密度有了数量级的提升。此外，EC-WPT系统展现出较好的抗耦合偏移特性。
相比于该领域逐步应用的MC-WPT系统，EC-WPT技术在传输功率、传输效率等多方面都是有待提升的，离技术走向实际应用还有较长的路。此外，相比于定点供电，电动汽车动态供电系统具有更高的复杂性，存在耦合机构实时偏移、参数扰动、导轨切换等问题。
表1 电动汽车EC-WPT系统的对比
5 水下设备
水下无线电能传输技术是一个很有意义的研究领域，该技术可以用于水下自动巡航器和水下探测设备等的供电，可以很好地解决有线供电方式带来供电不方便和蓄电池续航能力不足等问题。近年来，水下无线充电系统主要基于ME-WPT技术。然而，磁场会在海水环境中产生涡流损耗，这会严重影响系统的传输效率。此外，压磁效应也会影响MC-WPT系统传输性能。
由于EC-WPT技术特点，水介质能有效地增加系统耦合电容，提升系统传输能力，因此该技术是一种在水下无线供电中很有潜力的方法。有学者设计了一种应用在纯水环境中的EC-WPT系统，其传输效率可达91.3%、传输距离为20mm。有学者提出了一种用于自主水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle, AUV）的双向EC-WPT系统，能够更有效地平衡多个水下设备的能量，并有效提升续航能力。有学者在考虑绝缘层的影响下建立了纯水中EC-WPT系统的电路模型，并提出了一种传输距离达200mm的水下电场耦合无线电能传输系统。
然而由于水下环境的复杂性，对水下EC-WTP技术提出了更高的要求。海水下存在水流涌动影响,耦合机构会发生偏移；海水介质的电导率不完全一致，会影响到耦合电极之间的耦合电容；水环境下的压力、腐蚀、浮游生物附着等特殊问题也需要进一步考虑。因此，面向水下EC-WPT技术，应当综合考虑海水环境的特殊性，在结合有限元仿真和实验的基础上，研究适用于水下的稳定的、高效的无线电能传输方案。
以上研究成果发表在2021年第17期《电工技术学报》，论文标题为“电场耦合无线电能传输技术综述”，作者为卿晓东、苏玉刚。
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1.安全跨平台本地通信:localsend 25.8k⭐
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3.1 目前支持操作系统:
下载地址:https://github.com/localsend/localsend?tab=readme-ov-file#download
3.2 使用说明
LocalSend 各平台界面都很统一，主要分为：接收、发送、设置三个页面。
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对应的设备会在接收页面受到文件、或者消息提示：
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