感应式与电场式结合的无线电能传输系统：体积小、辐射低
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西南交通大学电气工程学院的研究人员罗颖、麦瑞坤、罗博、龙涛，在《电工技术学报》2018年增刊2上撰文（论文标题为“感应式与电场式结合的无线电能传输系统的设计与实现”）指出，感应电能传输（IPT）系统能够实现大功率的高效传输，但当周围的金属体处于磁场中时，高频交变的磁场会在金属体上产生涡流，导致金属体温度升高，具有潜在的危险。电场式电能传输（CPT）系统不会在金属体上产生涡流，但依然存在极板电压过高、电场辐射范围大等问题。基于CL拓扑补偿的IPT-CPT结合系统可以解决以上问题，但传统的耦合器都是分开放置，体积较大，且结构松散。
因此，本文提出一种集成式耦合器的结构及其设计方法。通过Maxwell仿真设计集成式耦合器的结构参数和电气参数，使其达到系统要求。最后，通过实验验证了集成式耦合器的优越性及参数设计方法的正确性，实验系统实现了1kW功率输出，整体效率为88.24%。本文为感应式和电场式结合系统提供了一种耦合器设计方法，能够有效缩小耦合器体积，同时耦合器中的极板能够阻隔磁场辐射。
感应电能传输（Inductive Power Transmission, IPT）技术能够实现较远距离的大功率传输，在近几年受到广泛关注和应用，涉及的领域包括电子设备、轨道交通、医疗器械和工业生产等。随着IPT技术的普及，其安全问题也受到人们的高度关注，磁场辐射是大家尤为关心的一点。
IPT系统利用电磁感应定律，以高频磁场作为传输介质，将电能从发射线圈传输到接收线圈侧。而高频的磁场也带来一系列的安全问题，如：它会在金属体上产生涡流使金属发热，存在火灾隐患，同时也会降低系统效率；对周围通信设备造成电磁干扰；磁场辐射在一定强度下会危害人体健康等。因此，通常需要加入额外的铝板来屏蔽磁场，系统复杂性增加。
与感应式对偶的电场式电能传输（Capacitive Power Transmission, CPT）技术，依靠两对金属极板间的电场传输能量，传输机构质量轻、成本低、对金属敏感度低，发热小。但CPT系统的传输功率和效率受传输距离的影响较为显著，由于空气的介电常数比较低，当距离为10～100mm时，极板构成的等效电容值非常小，通常在几pF到几十pF。
为了降低极板电容的容抗，开关频率通常设置在MHz级，同时需要很大的电感进行补偿，若还需获得足够的输出功率，输入电压也非常大，因此逆变器的开关管将承受较大的开关应力和切换损耗。同时，为了提高CPT系统的电能传输能力，会提高极板两端的电压，造成电场辐射范围大的问题。
对比CPT和IPT两种传输方式，IPT系统中需要额外的电容来补偿线圈的等效自感，常用的补偿拓扑包括串串（SS）、串并（SP）、并串（PS）和并并（PP）四种方式。在CPT系统中，需要额外的电感来补偿极板的等效电容。
目前，已有CLC、LCL、CLLC等补偿拓扑。为了简化电路，充分利用电路中的补偿元件，文献[13]提出了将两种传输方式相结合的系统，系统效率得以显著提高，但将电感耦合器和电容耦合器分开放置，造成耦合器体积大，结构不紧凑；同时传输能量密度低，实用性不高。
综上所述，本文基于CL拓扑补偿的IPT-CPT结合系统，提出了一种集成式耦合器的结构及其设计方法。集成式耦合器是将电感耦合器和电容耦合器集成到一体，能够有效整合两个耦合器，缩小系统整体体积，使结构更为紧凑。
通过合理设计参数能使磁场和电场传输的功率按一定比例输出，同时减小极板对线圈的影响。其结构能够有效屏蔽磁场，减小电磁辐射对人体的危害，同时，能够防止周围的金属物落入高频磁场引发危险。其中，极板既作为IPT系统的补偿元件，也用于产生电场传输能量；耦合线圈既作为CPT系统的补偿元件，也用于产生磁场传输能量，电路中的元件得到充分利用。同时，在CPT系统中加入IPT，能够分担系统总功率，降低极板上的电压，缩小电场辐射的范围，提高系统安全可靠性能。
图15 实验实物装置
本文基于CL拓扑补偿的IPT-CPT结合系统，提出了一种集成式耦合器结构及其设计方法，结合了感应式和电场式两种传输方式，充分利用电路中的补偿元件。通过合理设计电感耦合器和电容耦合器的结构和参数使IPT传输功率和CPT传输功率按一定比例输出，同时简化了结合式无线电能传输系统耦合器的结构。
与单独的IPT系统相比，该系统具有如下特点：①磁场辐射范围缩小，金属物也不易掉落至磁场中；②铝板不仅作为屏蔽磁场的物体，也充当部分补偿线圈等效电感的电容，同时也是传输能量的通道。
与单独的CPT系统相比，该系统具有如下特点：①在传统CPT系统中作为补偿的电感也能够传输能量；②IPT系统分担了系统总功率，降低了CPT的极板电压，缩小了电场辐射范围。