还在用数据线给手机充电？你OUT了！ -- 无线供电技术探秘

2007年6月，麻省理工大学的物理学助理教授马林·索尔贾希克（Marin Soljacic）和他的研究团队公开做了一个演示。他们给一个直径60厘米的线圈通电，6英尺（约1.9米）之外连接在另一个线圈上的60瓦灯泡被点亮了。这种马林称之为“witricity”技术的原理是“磁耦合共振”，而他本人也因为这一发明获得了麦克阿瑟基金会2008年的天才奖。 新技术所消耗的电能只有传统电磁感应供电技术的百万分之一，不由让人们对室内距离的无线供电重新燃起了希望。而它的关键在于“共振”。

原理

科学家们早就发现，共振是一种非常高效的传输能量方式。我们都听过诸如共振引起的铁桥坍塌、雪崩或者高音歌唱家震碎玻璃杯的故事。无论这些故事可信度如何，但它们的基本原理是正确的：两个振动频率相同的物体之间可以高效传输能量，而对不同振动频率的物体几乎没有影响。在马林的这种新技术中，将发送端和接收端的线圈调校成了一个磁共振系统，当发送端产生的振荡磁场频率和接收端的固有频率相同时，接收端就产生共振，从而实现了能量的传输。根据共振的特性，能量传输都是在这样一个共振系统内部进行，对这个共振系统之外的物体不会产生什么影响。这就像是几个厚度不同的玻璃杯不会因为同一频率的声音而同时炸碎一样。

最妙的就是这一点了。当发射端通电时，它并不会向外发射电磁波，而只是在周围形成一个非辐射的磁场。这个磁场用来和接收端联络，激发接收端的共振，从而以很小的消耗为代价来传输能量。在这项技术中，磁场的强度将不过和地球磁场强度相似，人们不用担心这种技术会对自己的身体和其他设备产生不良影响。

在2007年马林演示他的成果的时候，这项技术能够达到40%左右的效率。这在某些场合是可以接受的，但是人们还想更进一步。刚才我们提到的英特尔公司研究员们已经把传输效率提升到了75%，而马林小组声称，他们做到了90%。虽然成效惊人，但改进空间也依然很大。下一步，便是在提高传输效率的同时缩小发射端和接收端的体积，最终实现用电设备内置接收端的目标。

想象一下， 这会对生活带来什么样的影响？我们可以完全从需要的角度出发来摆放家用电器，不用再考虑附近是否有插座；我们在装修房间的时候不用再考虑如何布设电线，笔记本电脑和手机这样的小件电子设备永远显示电池充满，清扫机器人在房间里跑来跑去，不用过一会就去找地方充电……这一天也许很快就会来到。市场上已经有了一些采用这种技术的原型产品，广泛使用也只是时间问题罢了。

关于无线供电

　　广义地说，终端用电器通过无线的方式获取电能的过程就叫无线供电，所获得的电能是由其它形式的能量转化面来的，无线供电装置就是一套能量转化为电能的装置。

按照广义的说法，最常见的无线供电就是太阳能电池，它吸收太阳能量转化为电能。

无线供电的形式有多种，所有携带能量的物质形式都有可能用来无线供电，如电磁感应，电磁共振，风力发电，太阳能发电，潮汐发电，微波供电，激光供电，远红外供电等等，只是这些发电方式有的设备相当复杂，体积庞大，不能直接用与终端设备整合成一体，而是通过电线与终端设备相连。

狭义地说，通常我们把电磁感应和电磁共振叫作无线供电，简单地认为这是一个电与电之间的无线连接，事实上，它们都是线历了二次转换，即：发射部分将电能转化为磁能，然后由接收部分将磁能转化为电能。电磁感应的距离是很近的，通常在30厘米以内，电磁共振的距离稍远些，距离为数厘米到3米以内，此类无线供电能方便地传输较大的功率，数千瓦甚至数十千瓦，工业上使用的有轨非接触式无线供电就是这种类型，它是将一个发射线圈做成轨道，用电器沿着轨道运行，一个磁芯骑（串）在轨道上，接收线圈通过磁芯的耦合从轨道上获取电能。2006年在麻省理工的无线供电实验便属于电磁共振。

微波的无线供电具有很好的穿透性，传输距离远且受障碍物影响较小，在金属表面反射等特点，但微波可能会对环境产生较大的影响，特别是对人和动物的影响。而激光的无线供电具有直线传播、能量集中、距离远和穿透性差等特性，易受障碍物的影响，对人和动物特别是眼睛的影响较大，通常不适合于民用。

下面的图例便清楚地表明了目前被采用的几种无线供电方式的工作原理，开动你聪明的脑袋，相信你是可以理解图中的概念的。

（1）电场耦合式无线供电

电场耦合式无线供电模块是由2个非对称偶极子按垂直方向排列而成的，这组偶极子各由供电部分和接收部分的活性炭电极和接地电极组成。无线供电模块就是通过这2个非对称偶极子的电场耦合而产生的感应电场来供电的。

利用这种电路结构，可以开发出位置随意性强且传输效率高的电场耦合式无线供电模块，下图为电场耦合式无线供电的基本电路结构。

无线供电系统的供电部分是由供电模块和供电电极组成的，而接收部分则是由接收电极、接收模块和DC-DC转换器组成的。通过电源电路设计技术，为供电模块设计了电源电路，并在供电模块中安装了能够确保产品安全性的控制电路。

来自供电模块的被转换成交流电的电流在经过由供电电极和接收电极之间形成的耦合电容的耦合后，被传递到接收部分。

通过在接收部分安装了整流电路和电压转换电路，无线供电系统能够向电池和电子设备提供稳定的直流电。以下是采用电场耦合式无线供电系统的块图。

需要强调的是，在采用电场耦合方式供电的过程中，需要转换电压。

（2）电磁感应式无线供电

电磁感应主要是利用与变压器相同的原理，实现并不复杂，在初级线圈产生一定频率的交流电后，通过电磁感应在次级线圈中产生一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端。下图为电磁感应无线供电方式基础电路结构。

既然电磁感应方式实现并不复杂，为什么使用该类技术的无线充电器普及这么困难呢？简单地说，最大障碍就在“传输距离”方面。

众所周知，传输电力即便通过金属线路传输，距离远了也会产生相当大的线路损耗，更别提通过空气传输了——实现传输距离最远只有10cm左右，对于是否能大范围应用这是一个很大的问题，而且需要考虑很多的散热问题，比如线圈之间的发热。

不过，电磁感应式充电技术的拥有结构简单、成本低、电磁辐射问题低等优点，极容易实现产品小型化。由于小型数码设备的功耗通常不超过100W，充电距离没有 太多的要求，因此大多数支持无线充电的数码大多采用电磁感应方案，比如无线充电手机、无线充电板、充电垫都是基于这一技术。

（3）磁共振无线供电

日本村田制作所的细谷开发出了采用开关技术的共振方式无线供电系统。该方式的特点是系统整体的电力效率高，这为无线供电系统提高线圈等共振元件之间的传输效率带来了巨大的影响。

　　“直流共振方式”的无线供电技术（WPT：Wireless Power Transfer）与以往采用磁共振方式的WPT系统相比，其特点是系统构造更加简单，包括电源在内的系统整体电力效率高。而且，即使传输距离发生变化，或者电力传输对象变为多个等负载发生较大变化时，电力传输效率也不会大幅降低，这也是特点之一。下图所示情况便可被认为是直流电源和供电线圈形成“共振场”。从直流电源——太阳能电池，利用具备开关电路的供电模块将直流电压转换成矩形波，通过供电线圈生成了电磁场的近场“共振场”。

首先，与磁共振方式相比，可提高系统的整体电力效率，而且系统构造变得非常简单；其次，与电磁感应方式相比，供受电器件的位置自由度高，供受电器件的重量也变得更轻。与电场耦合方式相比，延长传输距离时较占优势。与无线电波方式相比，传输电力更大 1～4）。

（4）电波式无线供电

对于电波方式无线供电技术，原理其实非常简单，我们日常所接触到的电磁波都承载着能量。无线电广播在发射时，大部分的能量都四散在了空中，而这项技术就是要用一种非放射性的场来聚集这些能量。我们都知道，特定频率的电磁波会引起物体的震动，两个固有频率相同的物体就可以传递这种震动，从而传递能量。我们可以让一个诸如铜制天线的物体发射电磁波，而让接收器来接收，转化为能量。理论上说，所有现在使用电池的电器都可以换用这种方式供电。当然，现阶段这种传递还仅限于几米的短距离范围。

关于由此产生的电磁辐射对人体的影响问题，研究者们正在进行试验，以最终满足FCC的标准要求。开发人员称，现在的辐射水平大概和核磁共振仪类似，应该是在安全范围之内。

如果试验进行顺利，这种无线供电技术将会有非常巨大的发展空间，比如可以在地下铺设线路，随时为我们手中的电话，甚至行进中的汽车充电。但研究者指出，该技术仍处在起步阶段，这些展望都还存在在设想当中。

无线充电与电子设备结缘

作为一项能改变我们未来生活方式的技术，无线充电技术早已为众多的厂商所觊觎，因此我们也在市面上能够发现已经采用了这种技术的先锋产品。

Palm（现在是HP）的WebOS产品所使用的点金石充电系统就属于无线充电技术的一种，用户只需要将手机放在点金石上，充电就会自动开始，无需连接任何线路。

而诺基亚Lumia 920 、LG Nexus 4、HTC Droid DNA等这些新一代智能手机也都支持无线充电这一神奇的功能：使用者只需将手机的背盖放置在无线充电底座上，即可进行充电。

当然，无线充电技术并不仅仅是智能手机领域，如笔记本电脑方面也将是它的舞台。戴尔是最早推出支持无线充电产品的厂商，它早在2009年就推出了配备了无线 充电功能模块的Latitude Z600，成为全球首款支持无线充电的笔记本电脑：通过无线坞站的扩充，可以为这款机器提供60W功率的供电，5小时左右即可将这款产品的电池充满。

未来不仅是小功率电器，常见的家用电器设备、医疗设备、电动工具、办公室电器、厨房电器等都可以实现无线充电了。其实准确的说，应该叫“无线供电”，也就是 一边传输一边使用电能，不需要任何类似于电池的电量存储设备，更不需要提前充电了。如海尔已经在CES2012上就曾推出“无尾”电视。当然，未来电动汽 车领域也将无线充电技术大展身手的地方，这样你以后不用开着更环保的汽车就再经常忧心重重地找充电站。

发展路上的拌脚石虽然目前有无线充电设备的已经上市，但否说服人们“摆脱最后一根线缆”，仍要需要一些时日，因为摆在它面前仍有不少问题需要解决。

无线充电技术面临的问题首先是标准混乱。无线充电技术目前有三大阵营，其一为PMA规格，获谷歌、AT&T和星巴克支持；其二HTC、LG、摩托罗拉及索尼、TI、飞利浦等大厂则力挺WPC的Qi规格；最后是三星、高通与其它18家公司则支持A4WP。

目前由于标准纷乱，因此一款拥有无线充电功能的手机，不代表在任何充电平台上都可以进行充电，必须是相同标准才可以。多种标准共存，如果传输协议稍有不同， 就会有不同的技术选择，这对厂商及消费者的选择都是一种考验。因此，如何让不同厂商的接收器、无线充电设备兼容，如何让老设备也能够用上无线充电技术，这 些都需要很长时间来解决的问题----这将由各大厂商在利益对弈中的实力所决定了！

传输效率和传输距离也是无线充电需要面对的另一个问题。 即便无线充电在使用上相当方便，目前最大的缺点还是碍于充电效率偏低，由于无线电波将电能传递的过程中所耗损的能量较大，所以无线充电的距离都非常短，一 旦距离拉长，能量损耗也就更严重。虽然最近几年，一些公司和组织另辟蹊径，克服其中的种种挑战，使能源传输效率达到了70%以上，终于让无线充电实用化成 为了可能，但还有进一步提高的潜力。另外在动态情况下如何保障整个系统的供电稳定性也是一个重要的问题，需要开发人员在未来进行更加深入研究。

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