深入探討無線充電的發(fā)展之路

電話、電燈、電腦、電冰箱，風馳電掣、電閃雷鳴、電光火石、電光朝露，不管是日常生活還是文學隱喻，電一直都是我們身邊不可或缺的工具。如果追溯歷史，第二次工業(yè)革命便是以電力的大規(guī)模應用為代表，電燈的發(fā)明為標志。

現(xiàn)代生活，電氣設施為我們的生活帶來了越來越多的便利，人們早已習慣了有電的生活。大到電腦、冰箱、空調、電車、動車，小到手電筒、電動牙刷、運動手環(huán)，一旦發(fā)生了“停電”或者“沒電”，就有人大呼“發(fā)生事故”，這反映了人們對缺少“電”的焦慮。而在這個人人必備手機的時代，人們很大一部分的焦慮則是來自手機電量低于20%的提示音。

我們使用電的方式主要由兩種，一種是來自直接對輸送來的電量進行使用，而不是來自電量存儲設備，例如電冰箱、空調這些電器；一種是來自電量存儲設備（例如電池）的供電，如果電量存儲設備的電量告罄，我們還需要對其進行充電，例如電動車、手機等。

隨著用電器件的激增，越來越多的電線也讓我們越來越煩躁，它們相互纏繞，糾纏不清，于是人們就開始想，既然以前的網(wǎng)線現(xiàn)在都升級成無線WIFI了，那么我們的電線供電是否也可以轉成無線供電。其實，對于無線供電的探索在很早之前就已經(jīng)開始了。

一、無線的探索之途

對于無線供電的探索，最先做出巨大貢獻的一位人物便是在交流電領域聞名遐邇的美籍塞爾維亞裔科學家尼古拉·特斯拉。特斯拉在1891年發(fā)明特斯拉線圈，它是一種使用共振原理運作的變壓器，主要用來生產(chǎn)高電壓、低電流、高頻率的交流電力。其實特斯拉線圈比較難以界定，因為特斯拉實驗了大量的線圈配置。特斯拉利用這些線圈進行了如電氣照明、螢光光譜、X射線、高頻率的交流電流現(xiàn)象、電療和無線電力等的實驗，以便進行電力傳輸。

尼古拉·特斯拉

1891年7月30日，35歲的特斯拉加入美國國籍，同年在紐約第五大道建立了自己的實驗室。在那里他用機電振蕩器進行了機械共振實驗，使周圍的一些建筑物產(chǎn)生了共振。隨著速度的增加，他用儀器測出了房子的共振頻率。他還在紐約一些地方用無線電點亮了那里的電燈，為無線傳輸?shù)目赡苄蕴峁┝俗C據(jù)。這也是無線供電開始被研究的重要節(jié)點。

1899年，特斯拉決定遷往可以讓他有做高頻高壓實驗的地方——科羅拉多州的斯普林斯，并開始在那兒進行研究。到達后不久他向記者說，他正在做將訊號從派克斯峰（附近的一座山）送到巴黎的無線傳輸實驗，即特斯拉正在研究如何無線傳輸能量與電力。

通過幾個月的研究，1900年，特斯拉決定在紐約長島興建一座進行跨大西洋無線電廣播和無線電能傳輸實驗的“特斯拉線圈”——沃登克里弗無線傳輸電能塔。特斯拉想基于這個塔為將來實現(xiàn)對全球無線設備進行無線供電的設想提供基礎。

遺憾的是，1901年12月12日，馬可尼完成了跨大西洋的無線電傳送實驗，由于馬可尼趕在特斯拉之前成功完成了實驗，摩根停止了對特斯拉實驗的資助。1903年，特斯拉陷入了財政危機。1912年，沃登克里弗塔也被拆除。雖然這個實驗失敗了，但是特斯拉為無線供電提供的理論和實驗基礎，為將來的無線供電的實現(xiàn)提供了非常大的幫助。

沃登克里弗塔

現(xiàn)在讓我們來到2007年。MIT有一個叫做WiTricity的實驗項目小組，它由Marin Soljai教授領導。這個研究小組的研究對象是磁耦合共振技術。2007年，Marin Soljai教授和他的助手在距離2米的情況下成功實現(xiàn)了首次高效的非輻射功率轉換，點亮一個60瓦的燈泡。能量轉移效率高達40％。此次試驗也被認為是第一次現(xiàn)代意義上的無線供電。

MIT無線輸電實驗

Soljai教授在無線能量傳輸方面的實驗和工作與20世紀早期特斯拉的工作相關，但也有顯著差異：與特斯拉在科羅拉多州的遠程無線能量傳輸不同，WiTricity小組只關注短距離傳輸，運用的是磁感應方式，而特斯拉運用的是磁共振方式。

后來受這個小組的啟發(fā)，WiTricity公司成立。該公司主要研發(fā)無線輸電技術，已經(jīng)與汽車制造商奧迪、寶馬、克萊斯勒、捷豹、日產(chǎn)和豐田合作。

2009年，WiTricity公司的新技術由CEO Eric Giler在牛津舉辦的TED大會上展出。這次大會上，其展示了對一臺電視和三部手機進行同時無線供電。

二、無線的傳輸之道

無線供電的歷史就介紹到這里，下面我就來看看這個過程到底是怎么完成的。上文提到，用電主要由兩種方式，無線供電也是同樣的道理，可以分為無線輸電和無線充電，由于兩者只是在電能使用方式上有差別，下面我們便以無線充電為例對無線供電原理進行介紹與講解。

上面講到，MIT成功完成了2米距離的無線電力傳輸實驗。對于無線充電技術的標準化便成為了需求，而且一旦標準化，對于無線充電技術的大規(guī)模研發(fā)和使用也將起到重大的推動作用。

2009年1月，WiPower公司制定了磁共振A4WP標準，支持高達50W的功率傳輸，距離可達5厘米，功率傳輸頻率為6.78MHz。

2010年7月，Wireless Power Consortium（WPC）制定磁感應Qi標準。制定了5W或更小的移動終端的標準。

2012年1月，IEEE發(fā)布磁感應PMA標準。

2015年9月，A4WP與PMA合并成AirFuel Alliance（AFA），推動統(tǒng)一無線充電標準。

至此，在無線充電領域便形成了兩大標準體系，WPC的Qi標準，以及AFA的AirFuel Resonant（A4WP標準）和AirFuel Inductive（PMA標準）。

雖然是兩大標準，但是在基本的原理上卻有相似的部分。Qi標準與AirFuel Inductive標準相似程度很高，均使用磁感應技術，兼容性比較高；而AirFuel Resonant則與前兩者完全不同，使用的是磁共振技術。因此我們不需要把WPC和AFA完全對立，因為無論充電器還是接收器在選擇標準的時候，最先考慮的可能是使用磁感應還是磁共振技術。

無線充電技術分類

無線充電方式主要分為非放射性和放射性兩大類型。其中放射性分為電波（微波）式和激光式，非放射性分為磁耦合式和電耦合式，現(xiàn)在主流方式是通過磁耦合式進行電力傳輸，磁耦合式則包含上面提到的電磁感應式與磁共振式兩種方式。下面將主要介紹這兩種方式，并簡要介紹其他的無線充電方式。

不管是磁感應式是還是磁共振式，依靠的原理都是電磁感應。電磁感應是發(fā)電機、變壓器等多數(shù)電力設備操作的基礎。邁克爾·法拉第一般被認定為于1831年發(fā)現(xiàn)了感應現(xiàn)象的人。

電磁感應是指放在變化磁通量中的導體，會產(chǎn)生電動勢。此電動勢稱為感應電動勢或感生電動勢，若將此導體閉合成一回路，則該電動勢會驅使電子流動，形成感應電流（感生電流）。也就是我們通常所說的變化的磁場形成電場，可以簡述為磁生電。磁生電的定量關系則由法拉第電磁感應定律給出。我們平時看到的交流電變壓器也正是用的這個原理。變壓器還用到了電流的磁效應，即電流周圍會產(chǎn)生磁場，變化的電流產(chǎn)生變化的磁場，簡述為電生磁。電生磁現(xiàn)象則是由丹麥物理學家、化學家漢斯·克里斯蒂安·奧斯特于1820年發(fā)現(xiàn)。

1.磁感應式無線充電

電磁感應示意圖

上圖則簡單描述了這個過程。左邊的線圈通變化的電流，變化的電流產(chǎn)生變化的磁場，中間鐵圈則是為了鎖磁（即減少漏磁），右邊的線圈感受到變化的磁場，則產(chǎn)生了電流，右邊的電流表則會有指針波動。這就是變壓器的基本實現(xiàn)原理，兩遍線圈匝數(shù)的不同則可以實現(xiàn)電壓的轉換。

現(xiàn)在我們把上面的鐵圈去掉，把左右兩邊線圈拍扁壓平，接收線圈放在手機背面，發(fā)射線圈連接電源，我們就得到了一個原始的無線充電裝置。第一代的磁感應無線充電器便是這么來的。

我們將發(fā)射線圈以及接收線圈的電感分別設為L1、L2，兩個線圈間的互感設為M，磁耦合程度以耦合系數(shù)k表示，則可成立以下公式：

兩個線圈的電感與互感存在L1L2≧M2的關系，為此耦合系數(shù)的數(shù)值在0≦k≦1的范圍中。在沒有漏磁通的理想情況下，耦合系數(shù)為1，這種情況稱為全耦合，但實際情況中數(shù)值均在1以下，且線圈間的距離越大，漏磁通會越多，從而導致耦合系數(shù)下降，最終將會變?yōu)?。

磁感應式無線充電示意圖

我們上文提到的MIT實驗便是運用的磁感應式無線充電。磁感應無線充電的優(yōu)點是，系統(tǒng)結構相對容易，系統(tǒng)成本相對便宜，可以小型化。但是缺點是磁感應式無線充電因為缺少了磁性材料的束縛，發(fā)射線圈的部分磁通就不會經(jīng)過接收線圈，這稱為耦合度低。所以在充電中，線圈之間需保持較近距離，這是因為線圈之間距離越大，部分磁通將會變?yōu)槁┐磐ǘ鵁o法進行傳輸，從而導致兩個線圈的磁耦合減弱。所以如果給手機充電，需要手機和無線充電器對齊貼緊。否則會遇到手機明明放在充電器上了，一覺醒來沒有充進電的尷尬。

2.磁共振式無線充電

磁共振式無線充電示意圖

磁共振式無線充電器則是用諧振器件（電感和電容）使發(fā)射端和接收端達到特定頻率，從而產(chǎn)生磁場共振，進而傳輸能量，即發(fā)射側與接收側的諧振頻率一致后進行電力輸送的方式。這個原理與聲音的共振原理相同。初中的時候我們都做過這樣的實驗，排列好振動頻率相同的音叉，一個發(fā)聲的話，其他的也會共振發(fā)聲。同樣，排列在磁場中的相同振動頻率的線圈，也可用一個向另一個供電。

磁共振式無線充電概念圖

通常我們使用的諧振器件是LC諧振電路，是包含一個電感（用字母L表示）和一個電容（用字母C表示）連接在一起的電路。振蕩電路中發(fā)生電磁振蕩時，如果沒有能量損失，也不受其他外界的影響，這是電磁振蕩的周期和頻率，叫做振蕩電路的固有頻率和固有周期。固有周期可以用下式求得：

所以當送電線圈通上了電源，和送電線圈具有相同固有頻率的受電線圈則會感應出電流，這樣就實現(xiàn)了電能的傳遞。之前介紹的TED展示和法拉第的大部分試驗，均是基于磁共振的無線充電。

這種方式的優(yōu)點在于，可拉大線圈的對置距離，同時，即使線圈之間中心稍稍發(fā)生偏移的情況下也可進行電力傳輸，因此也可以用來同時為多臺移動設備進行充電。但是缺點是系統(tǒng)結構相對困難，系統(tǒng)成本相對昂貴，而且難以小型化。

3.無線充電一般步驟

一般無線充電步驟分為：檢測、通信、供電三個階段。

（1）檢測階段：識別可供電設備及異物（FOD）。當接收器放置在發(fā)射器工作范圍內，發(fā)射器檢測是否是一個接收器靠近。

（2）通訊階段：進行身份認證。發(fā)射器發(fā)送數(shù)據(jù)包，并且為接收器供電啟動接收器，之后接收器回復響應數(shù)據(jù)完成身份的認證。

（3）充電階段：進行電能傳輸。在身份認證后，發(fā)射器根據(jù)接收器的設備類型，選擇相應的功率等參數(shù)，為接收器充電。

以Qi標準為例，整體流程如下：

磁共振式無線充電概念圖

通常我們使用的諧振器件是LC諧振電路，是包含一個電感（用字母L表示）和一個電容（用字母C表示）連接在一起的電路。振蕩電路中發(fā)生電磁振蕩時，如果沒有能量損失，也不受其他外界的影響，這是電磁振蕩的周期和頻率，叫做振蕩電路的固有頻率和固有周期。固有周期可以用下式求得：

所以當送電線圈通上了電源，和送電線圈具有相同固有頻率的受電線圈則會感應出電流，這樣就實現(xiàn)了電能的傳遞。之前介紹的TED展示和法拉第的大部分試驗，均是基于磁共振的無線充電。

這種方式的優(yōu)點在于，可拉大線圈的對置距離，同時，即使線圈之間中心稍稍發(fā)生偏移的情況下也可進行電力傳輸，因此也可以用來同時為多臺移動設備進行充電。但是缺點是系統(tǒng)結構相對困難，系統(tǒng)成本相對昂貴，而且難以小型化。

3.無線充電一般步驟

一般無線充電步驟分為：檢測、通信、供電三個階段。

（1）檢測階段：識別可供電設備及異物（FOD）。當接收器放置在發(fā)射器工作范圍內，發(fā)射器檢測是否是一個接收器靠近。

（2）通訊階段：進行身份認證。發(fā)射器發(fā)送數(shù)據(jù)包，并且為接收器供電啟動接收器，之后接收器回復響應數(shù)據(jù)完成身份的認證。

（3）充電階段：進行電

能傳輸。在身份認證后，發(fā)射器根據(jù)接收器的設備類型，選擇相應的功率等參數(shù)，為接收器充電。

以Qi標準為例，整體流程如下：

磁共振式無線充電概念圖

通常我們使用的諧振器件是LC諧振電路，是包含一個電感（用字母L表示）和一個電容（用字母C表示）連接在一起的電路。振蕩電路中發(fā)生電磁振蕩時，如果沒有能量損失，也不受其他外界的影響，這是電磁振蕩的周期和頻率，叫做振蕩電路的固有頻率和固有周期。固有周期可以用下式求得：

所以當送電線圈通上了電源，和送電線圈具有相同固有頻率的受電線圈則會感應出電流，這樣就實現(xiàn)了電能的傳遞。之前介紹的TED展示和法拉第的大部分試驗，均是基于磁共振的無線充電。

這種方式的優(yōu)點在于，可拉大線圈的對置距離，同時，即使線圈之間中心稍稍發(fā)生偏移的情況下也可進行電力傳輸，因此也可以用來同時為多臺移動設備進行充電。但是缺點是系統(tǒng)結構相對困難，系統(tǒng)成本相對昂貴，而且難以小型化。

3.無線充電一般步驟

一般無線充電步驟分為：檢測、通信、供電三個階段。

（1）檢測階段：識別可供電設備及異物（FOD）。當接收器放置在發(fā)射器工作范圍內，發(fā)射器檢測是否是一個接收器靠近。

（2）通訊階段：進行身份認證。發(fā)射器發(fā)送數(shù)據(jù)包，并且為接收器供電啟動接收器，之后接收器回復響應數(shù)據(jù)完成身份的認證。

（3）充電階段：進行電能傳輸。在身份認證后，發(fā)射器根據(jù)接收器的設備類型，選擇相應的功率等參數(shù)，為接收器充電。

以Qi標準為例，整體流程如下：

Qi標準無線充電流程

需要說明的是，不管是磁感應式還是磁共振式，受電線圈感應出來的都是交流電，因為我們講解的是無線充電，所以感應出來的交流電需要給電池這樣的電能存儲設備進行充電，充電則需要直流電，所以在受電裝置中都會有整流和濾波電路，對交流電進行整流與濾波，經(jīng)過處理后的電流便可以給電池充電了，以上便是無線充電的完整過程。

所以從以上的分析看來，不管是磁感應還是磁共振，都是既有各自的優(yōu)點也有各自的缺陷，在可供電距離、系統(tǒng)結構難易度、系統(tǒng)成本、產(chǎn)品尺寸、同時充電臺數(shù)、充電功率、頻率、效率等方面并沒有一個是可以完全滿足我們在各個場景下都可以通用的要求，所以現(xiàn)在的無線充電還是處于一個比較尷尬的境地。

盡管無線充電目前還是只在一些特定的領域發(fā)揮著作用，而且即使在各自的領域也面臨著一些問題，但是我們相信，隨著應用技術的發(fā)展與標準的完善，無線充電的運用領域與場景也會越來越廣闊，畢竟少一些電線對于強迫癥來說真是太大的福音了。