無(wú)線充電技術(shù)的發(fā)展 - 全文

??????? 引言

　　“無(wú)線充電”是利用一種特殊設(shè)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(duì)電子設(shè)備充電。無(wú)線充電大致上是通過(guò)磁場(chǎng)輸送能量。無(wú)線充電還有一個(gè)好處是省電，無(wú)線充電設(shè)備的效能接收在70%左右，具備電滿自動(dòng)關(guān)閉功能，避免了不必要的能耗。而且，這個(gè)效能接收率在不斷提高，很快將能達(dá)到98%。對(duì)于不同的電子產(chǎn)品，電源接口能自動(dòng)對(duì)應(yīng)，需要充電時(shí)，發(fā)射器和接收芯片會(huì)同時(shí)自動(dòng)開(kāi)始工作，充滿電時(shí)，兩方就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。它還能自動(dòng)識(shí)別不同的設(shè)備和能量需求。

　　1 無(wú)線充電技術(shù)

　　其實(shí)早在1890年，物理學(xué)家兼電氣工程師尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）就已經(jīng)做了無(wú)線輸電試驗(yàn)（圖1）。他提出并實(shí)現(xiàn)了交流發(fā)電。磁感應(yīng)強(qiáng)度的國(guó)際單位制也是以他的名字命名的。特斯拉構(gòu)想的無(wú)線輸電方法，是把地球作為內(nèi)導(dǎo)體、地球電離層作為外導(dǎo)體，通過(guò)放大發(fā)射機(jī)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(lái)傳輸能量。但因財(cái)力不足，特斯拉的大膽構(gòu)想并沒(méi)有得到實(shí)現(xiàn)。后人雖然從理論上完全證實(shí)了這種方案的可行性，但世界還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)大同，想要在世界范圍內(nèi)進(jìn)行能量廣播和免費(fèi)獲取也是不可能的。因此，一個(gè)偉大的科學(xué)設(shè)想就這樣胎死腹中。

特斯拉進(jìn)行無(wú)線電力傳輸實(shí)驗(yàn)

　　事實(shí)上，從低頻波到宇宙射線，我們周?chē)教幋嬖谥姶挪?，它們都攜帶著或多或少的能量。在不少物理學(xué)家看來(lái)，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(shí)，但無(wú)線電能傳輸對(duì)于新能源的開(kāi)發(fā)和利用、解決未來(lái)能源短缺問(wèn)題有著重要的意義，因此，許多國(guó)家都沒(méi)有放棄這方面的研究。1968年，美國(guó)工程師彼得·格拉澤（Peter Glaser）提出了空間太陽(yáng)能發(fā)電（Space Solar Power，SSP）的概念，其構(gòu)想是在地球外層空間建立太陽(yáng)能發(fā)電基地，通過(guò)微波將電能傳輸回地球（圖2），并通過(guò)整流天線把微波轉(zhuǎn)換成電能。1979年，美國(guó)航空航天局NASA和美國(guó)能源部聯(lián)合提出太陽(yáng)能計(jì)劃-建立“SPS太陽(yáng)能衛(wèi)星基準(zhǔn)系統(tǒng)”。歐盟則在非洲的留尼汪島建造了一座10萬(wàn)千瓦的實(shí)驗(yàn)型微波輸電裝置，已于2003年向當(dāng)?shù)卮迩f送電。野心勃勃的日本擬于2020年建造試驗(yàn)型太空太陽(yáng)能發(fā)電站SPS2000，2050年進(jìn)入規(guī)模運(yùn)行。

　　其實(shí)，無(wú)線充電技術(shù)離我們這些普通人也并非遙不可及。相信一定有人使用過(guò)某種品牌的電動(dòng)牙刷（圖3），只要將牙刷插入220V的充電座上即可實(shí)現(xiàn)不接觸的無(wú)線充電，使用起來(lái)很方便。這種無(wú)線充電就是利用電磁感應(yīng)原理，解決了潮濕環(huán)境下的用電安全問(wèn)題。

　　無(wú)線電能傳輸有電磁感應(yīng)、射頻和微波三種基本方式，這三種技術(shù)分別適用于近程、中短程與遠(yuǎn)程電力傳送。但每種無(wú)線充電方式都有一些缺點(diǎn)，從而限制了它的發(fā)展。例如電磁感應(yīng)方式傳送能量較小、傳送范圍較小等，這也是為什么電動(dòng)牙刷必須放在充電座上才能充電，而不能將牙刷任意擺放的原因。所以，現(xiàn)在各家公司的研究方向就是對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行改良和完善，從而最終實(shí)現(xiàn)商品化。

　　2 感應(yīng)“墊子”上市，無(wú)線充電不是夢(mèng)想

　　香港城市大學(xué)的許樹(shù)源教授早在幾年前就曾經(jīng)成功研制出一種“無(wú)線電池充電平臺(tái)”，可將數(shù)個(gè)電子產(chǎn)品放在一個(gè)充電平臺(tái)上，透過(guò)低頻電磁場(chǎng)充電，充電時(shí)間與傳統(tǒng)充電器無(wú)異，技術(shù)實(shí)現(xiàn)也不深?yuàn)W。這種無(wú)線電池充電平臺(tái)利用的就是變壓器原理-變化的磁場(chǎng)中閉合的金屬線圈會(huì)產(chǎn)生電流。而英國(guó)SplashPower公司2005年初上市的無(wú)線充電器Splash pads（圖4），就是變壓器原理商業(yè)化的無(wú)線充電產(chǎn)品。

　　Splash Pads看上去就像一塊柔軟的鼠標(biāo)墊，它的塑膠薄膜里面裝有產(chǎn)生磁場(chǎng)的小線圈陣列（變壓器原邊），以及由磁性合金繞以電線制成的口香糖大小的接收線圈（變壓器副邊，可以貼在電子設(shè)備上，圖5）。在CES 2007上，WildCharge公司也推出了兩款無(wú)線充電器產(chǎn)品WildCharger和WildCharger-Mini（圖6）。WildCharge的無(wú)線充電器與SpashPower公司的產(chǎn)品外觀非常相似，也是墊子模樣的東西。WildCharger的功率較大，除了可以給手機(jī)和媒體播放器充電以外，還可以為筆記本電腦充電，而WildCharger-Mini畢竟個(gè)子小，只能給手機(jī)等小型設(shè)備充電。據(jù)稱(chēng)WildCharge公司將從最近開(kāi)始在網(wǎng)上銷(xiāo)售這類(lèi)無(wú)線充電產(chǎn)品。

圖5電磁感應(yīng)方式的無(wú)線充電原理

　　3 解決無(wú)線電力傳輸?shù)木嚯x問(wèn)題——共振

　　既然電磁感應(yīng)方式實(shí)現(xiàn)并不復(fù)雜，為什么使用該類(lèi)技術(shù)的無(wú)線充電器普及這么困難呢？簡(jiǎn)單地說(shuō)，最大障礙就在“傳輸距離”方面。眾所周知，傳輸電力即便通過(guò)金屬線路傳輸，距離遠(yuǎn)了也會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的線路損耗，更別提通過(guò)空氣傳輸了--距離增大以后感應(yīng)的能量會(huì)迅速減少?？梢韵胂?，在一些特殊領(lǐng)域如果不能突破距離限制，無(wú)線充電已經(jīng)毫無(wú)意義。例如植入體內(nèi)的儀器，難道必須施行外科手術(shù)才能更換電池。太可怕了！還有那種安置在動(dòng)物身上的無(wú)線定位裝置，怎樣為其補(bǔ)充電能也很關(guān)鍵。

　　為了在無(wú)線傳輸距離上有所突破，MIT的助理教授馬林·索爾賈希克（Marin Soljacic）和他的研究小組在長(zhǎng)達(dá)4年的實(shí)驗(yàn)研究中終于獲得重大突破。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中使用了兩個(gè)直徑為50cm的銅線圈，通過(guò)調(diào)整發(fā)射頻率使兩個(gè)線圈在10MHz產(chǎn)生共振，從而成功點(diǎn)亮了距離電力發(fā)射端2m以外的一盞60W燈泡。而且，即使在電源與燈泡中間擺上木頭、金屬或其它電器，都不會(huì)影響燈泡發(fā)光（圖7）。

圖7兩個(gè)線圈之間用木板隔斷，對(duì)傳輸效果毫無(wú)影響

　　同時(shí)，MIT的科學(xué)家們還對(duì)無(wú)線電力傳輸理論進(jìn)行了研究。他們確定了兩個(gè)電磁線圈之間形成磁場(chǎng)強(qiáng)耦合的條件，并給出了富有啟發(fā)性的結(jié)論：

　　a.可行性。通常情況下，電磁輻射具有發(fā)散性，相隔較遠(yuǎn)的接收器只能接收到發(fā)射能量的極小一部分。而當(dāng)接收天線的固有頻率與發(fā)射端的電磁場(chǎng)頻率一致時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振，此時(shí)磁場(chǎng)耦合強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，無(wú)線電力的傳輸效率大幅度提高。MIT的實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)收發(fā)雙方相隔2m時(shí)，傳輸60W功率的輻射損失僅為5W。因此，在幾米內(nèi)“中程”（相較于“近程”和“遠(yuǎn)程”而言）傳輸電力是可行的。

　　b.安全性。從電磁理論而方，人體作為非磁性物體，暴露在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中不會(huì)有任何風(fēng)險(xiǎn)。醫(yī)院對(duì)病人進(jìn)行核磁共振檢查時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度高達(dá)B～1T也不會(huì)傷害人體。相比之下，共振狀態(tài)下磁場(chǎng)強(qiáng)度處于B～10-4 T數(shù)量級(jí)，僅相當(dāng)于地磁場(chǎng)的強(qiáng)度，因此不會(huì)對(duì)人體構(gòu)成危害（圖8）。

圖8索爾賈?？耍ǖ诙抛笠唬┡cMIT研究小組成員在兩個(gè)實(shí)驗(yàn)線圈之間留影，以消除人們對(duì)磁場(chǎng)輻射的擔(dān)心。

　　4 長(zhǎng)江后浪推前浪，射頻充電器更勝一籌

　　就在MIT科學(xué)家的研究工作取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展的輝煌時(shí)刻，一家名為Powercast的公司突然推出了一種適合中短距離使用的無(wú)線充電裝置。與前面提到的SplashPower和WildCharge兩家公司的接觸式充電器不同，Powercast公司的射頻充電器不需要充電墊子，電子設(shè)備擱置在距離發(fā)送器約1m范圍內(nèi)的任何地方都可以充電。

　　Powercast公司的無(wú)線充電系統(tǒng)包括一個(gè)安裝在墻上的發(fā)送器以及可以安裝在電子產(chǎn)品上的接收器（圖9）。發(fā)送器這邊利用915MHz頻段把射頻能量發(fā)送出去，而接收器則利用共振線圈吸收射頻電波。

圖9收發(fā)雙方通過(guò)共振圈傳輸能量

　　5 Tips

　　目前國(guó)際上廣泛采用的射頻頻率分布于低頻（125KHz）、高頻（13.54MHz）、超高頻（850MHz～910MHz）和微波（2.45GHz）4個(gè)波段。無(wú)線射頻識(shí)別（RFID）通常使用超高頻波段的頻率，而Wi-Fi信號(hào)則是使用頻率為2.4GHz的微波。MIT研究小組在進(jìn)行無(wú)線電力傳輸實(shí)驗(yàn)時(shí)采用的頻率為4～10MHz。據(jù)說(shuō)Powercast公司曾嘗試過(guò)使用上述各種波段的射頻電波進(jìn)行電力傳輸，但只有當(dāng)頻率為900MHz左右時(shí)接收到的能量最強(qiáng)。

　　射頻電能傳輸與老式的礦石收音機(jī)的收音過(guò)程相似。礦石收音機(jī)自身沒(méi)有直流電源，它利用天線接收來(lái)自電臺(tái)的載波，經(jīng)過(guò)檢波后在聽(tīng)筒中產(chǎn)生音頻電流。Powercast公司聲稱(chēng)，這個(gè)無(wú)線充電系統(tǒng)絕不比一部收音機(jī)復(fù)雜，而且造價(jià)低廉，基本接收裝置成本只需5美元。依賴(lài)這樣的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，Powercast公司已與手機(jī)、MP3、汽車(chē)配件、體溫表、助聽(tīng)器及人體植入儀器等產(chǎn)品的百多家生產(chǎn)廠商簽署了合作協(xié)議，還會(huì)與飛利浦合作在今年年內(nèi)推出無(wú)線充電的LED電筒、明年推出包括鍵盤(pán)/鼠標(biāo)在內(nèi)的更多無(wú)線電腦外設(shè)。