無線充電技術(shù)及其應用

河南省電子產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所 謝利濤 趙志強 王彥莉

無線充電技術(shù)及其應用

河南省電子產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所 謝利濤 趙志強 王彥莉

隨著電子信息科技的發(fā)展和人民生活水平的提高，電子信息類應用產(chǎn)品逐步深入到老百姓的生活，中國已經(jīng)成為世界最大的無線移動通訊市場。但無意中增加的各種充電線和數(shù)據(jù)線以及需要事先布置好的插座卻給我們的生活帶來了與日俱增的困擾。盡管目前已經(jīng)有紅外、藍牙等無線數(shù)據(jù)傳輸方式可以減少線纜數(shù)量，但最基本的電力能源供應仍基于有線傳輸，“蛛網(wǎng)纏身”的感覺仍揮之不去。然而，隨著電力傳輸技術(shù)的突飛猛進，為電子產(chǎn)品無線充電也已成為了可能。本文，筆者主要介紹了無線充電技術(shù)的發(fā)展歷史及目前主要研究狀況與應用，還提出無線充電技術(shù)的待解難題。

一、無線充電技術(shù)的發(fā)展歷史

“無線充電”顧名思義就是利用一種特殊設備將電源插座的電力轉(zhuǎn)變?yōu)榭沙潆姷碾姴?，從而在扔掉電線的情況下直接對電子設備充電。無線充電技術(shù)并不是當今才有的新技術(shù)，早在1890年，物理學家兼電氣工程師尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）就已經(jīng)做了無線輸電試驗，在1891年發(fā)明了“特斯拉線圈”，特斯拉構(gòu)想的無線輸電方法，是把地球作為內(nèi)導體、地球電離層作為外導體，通過放大發(fā)射機以徑向電磁波振蕩模式，在地球與電離層之間建立起大約8Hz的低頻共振，再利用環(huán)繞地球的表面電磁波來傳輸能量。但因財力不足，特斯拉的大膽構(gòu)想并沒有得到實現(xiàn)。之后，人們雖然從理論上完全證實了這種方案的可行性，但是，由于技術(shù)發(fā)展水平上的限制，想要在世界范圍內(nèi)進行能量廣播和免費獲取也是不可能的。因此，一個偉大的科學設想就這樣“胎死腹中”。

二、無線充電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及主要應用

事實上，從低頻波到宇宙射線，我們周圍到處存在著電磁波，它們都攜帶著或多或少的能量。在不少物理學家看來，人們要做的或許僅僅是找到合適的辦法接收和利用這些能量。特斯拉的想法雖然難成現(xiàn)實，但無線電能傳輸對于新能源的開發(fā)和利用，解決未來能源短缺問題有著重要的意義，因此，許多國家都沒有放棄這方面的研究。

1.主要傳播方式?？茖W家們認為進行無線電力傳輸是可能的。無線電力傳輸是一種區(qū)別于有線傳輸?shù)奶厥夤╇姺绞剑壳盁o線電力傳輸主要有電磁感應、電磁共振和微波等3種不同的傳輸方式。

（1）電磁感應。這是目前最為常見的傳輸方式，通過發(fā)射端和接收端的線圈相互感應產(chǎn)生電流，從而實現(xiàn)電力傳輸。電磁感應是將線圈中的電流直接以電磁波形式進行1cm以下的近距離收發(fā)，收發(fā)設備需要有較高的識別能力，由于電磁波是向四面八方輻射而大量散失，因此效率較低，通常它只適合相互“貼著”的小功率電子產(chǎn)品。

目前最為常見的充電墊解決方案就采用了電磁感應，事實上，電磁感應解決方案在技術(shù)實現(xiàn)上并無太多神秘感，中國本土的比亞迪公司，早在2005年12月申請的非接觸感應式充電器專利，就使用了電磁感應技術(shù)。因此目前該領域供應商采取的措施，就是使產(chǎn)品盡早上市，成為該領域的“事實標準”，從而成為最終的事實標準。由于電磁感應技術(shù)具有技術(shù)簡單、充電高效，并能夠運用于如充滿水、沙泥及灰塵的各種惡劣環(huán)境中，未來很有可能在幾種技術(shù)的較量中成為最終的贏家。

（2）電磁共振。當振蕩電路為非理想狀態(tài)而有電阻時，電阻發(fā)熱，成為阻尼振蕩；當振蕩電路中有外加的周期性電動勢作用時，將成為受迫振蕩；當外加電動勢的頻率與電路自由振蕩的固有頻率ω相同時，振幅達最大值，叫電磁共振。

電磁共振是目前正在研究的一種電力傳輸方式，是利用電流通過線圈產(chǎn)生同頻率的磁場共振實現(xiàn)無線供電，磁場的強弱決定了它的傳輸距離和效率，它可以實現(xiàn)10m左右距離的室內(nèi)供電。但由于目前的實驗所需要的線圈直徑較大，還僅僅停留在實驗階段，而且，必須對其相應頻率進行保護，防止相同頻率的電磁波進行干擾，降低效率。

（3）微波。微波是另一種較為成熟的無線充電方式，其電能傳輸與老式的礦石收音機的收音過程相似。礦石收音機自身沒有直流電源，它利用天線接收來自電臺的載波，經(jīng)過檢波后在聽筒中產(chǎn)生音頻電流。微波傳輸電腦其原理就是將電力以微波或激光形式發(fā)射到遠程的接收設備，然后通過整流、調(diào)制等處理后使用。

該領域的代表公司Powercast表示，其最終研制的微型高效接收電路，可以捕捉到從墻壁彈回的無線電波能量，在隨負載做出調(diào)整的同時保持穩(wěn)定的直流電壓。只需一個安裝在墻身插頭的發(fā)送器，以及可以安裝在任何低電壓產(chǎn)品的“蚊型”接收器，Powercast解決方案就可以將無線電波轉(zhuǎn)化成直流電，在約1m范圍內(nèi)為不同電子裝置的電池充電。目前，該公司已經(jīng)與菲利浦公司簽署了合作協(xié)議。

2.發(fā)展現(xiàn)狀及應用。雖然研究人員一直試圖解決無線充電技術(shù)，并已提出了不同的解決方案。不過大部分方案只是處于試驗階段，還有很多無法解決的技術(shù)難題。最流行的兩個解決方案是電磁感應和電磁共振。

（1）電磁感應法。麻省理工學院的研究團隊在2007年6月7日美國《科學》雜志的網(wǎng)站上發(fā)表了他們的研究成果。研究小組把共振運用到電磁波的傳輸上而成功“抓住”了電磁波。他們利用銅制線圈作為電磁共振器，一團線圈附在傳送電力方，另一團在接受電力方。當傳送方送出某特定頻率的電磁波后，經(jīng)過電磁場擴散到接受方，電力就實現(xiàn)了無線傳導。這項被他們稱為“無線電力”的技術(shù)經(jīng)過多次試驗，已經(jīng)能成功為一個2m外的60W燈泡供電。根據(jù)北美電力研討會最新發(fā)布的論文顯示，在2008年9月，他們已經(jīng)在美國內(nèi)華達州的雷電實驗室成功地將800W電力用無線的方式傳輸?shù)?m遠的距離，見圖1。

圖1 電力無線傳輸實驗

目前，英國劍橋Splashpower公司已經(jīng)發(fā)明一種無線充電解決方案，可使手機不用接到電纜上就能給手機電池充電。該方案主要有兩部分組成：Splash充電板和Splash電力接收器。充電板與設備之間沒有物理連線，電能是通過安放在充電板和電力接收器中的感應線圈傳送的，接收器被暗置在手機、掌上電腦或其他類似裝置中。

（2）磁共振法。日本富士通公司也研發(fā)了一項新的無線充電技術(shù)，富士通的無線充電技術(shù)利用了磁共振在充電器與設備之間的空氣中傳輸電荷，線圈和電容器則在充電器與設備之間形成共振。富士通表示這一系統(tǒng)可以在未來得到廣泛應用，例如，針對電動汽車的充電區(qū)以及針對電腦芯片的電量傳輸。采用這項技術(shù)研制的充電系統(tǒng)所需要的充電時間只有當前的1/150。

無線充電技術(shù)還可在市政交通方面有所建樹。據(jù)國外媒體報道，英國HaloIPT公司近日在倫敦利用其最新研發(fā)的感應式電能傳輸技術(shù)成功實現(xiàn)為電動汽車無線充電。2010年3月，第一輛無線充電電動車在韓國京畿道果川市的首爾大公園試運行。這種電動車在鋪有電感應帶的路面上行駛時可以無線充電，而不用像傳統(tǒng)電動車那樣需要通過路軌或車頂電線獲得電力。該車被稱作網(wǎng)E電動車，由植入地面下約5cm處的充電帶提供電力驅(qū)動。

三、存在的問題

雖然無線充電技術(shù)前景廣闊，但存在一些疑問有待解決。

1.電磁波對人體輻射尚未得到權(quán)威答案，安全性還需要分階段逐步解決。

2.無線充電覆蓋范圍小，電能轉(zhuǎn)化率比直沖電低30%。

3.無線充電技術(shù)此前多應用在專業(yè)領域，需要保證產(chǎn)品密閉性的地方，但面對龐大的消費級設備市場，這項處于起步階段的技術(shù)，能否說服人們“擺脫最后一根線纜”，還是未知數(shù)。

4.普及無線充電技術(shù)，需要形成一個國際通行的標準，收發(fā)設備之間需要具備廣泛的兼容性，各家的產(chǎn)品之間也要能夠互換。