無線充電技術(shù)及其特殊應(yīng)用前景

　　摘要：對無線充電技術(shù)及發(fā)展歷程作了闡述，并對電磁感應(yīng)式、磁共振式、無線電波式和電場耦合式等技術(shù)原理進(jìn)行了分析。在目前無線充電技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇狀況下，展望了無線充電技術(shù)的應(yīng)用前景，將在醫(yī)用植入設(shè)備、無線傳感網(wǎng)和防水密封電子設(shè)備等特殊領(lǐng)域?qū)?huì)有更廣闊的應(yīng)用。

　　1　無線充電技術(shù)概述

　　無線電技術(shù)是信息時(shí)代的核心技術(shù)之一，無線電用于通信，如無線電廣播、無線電報(bào)、衛(wèi)星和微波通信、移動(dòng)通信和GPS等，大家深諳熟知。然而，無線電既是信息又是能量，它不僅可以承載微弱的通信信息，還可以傳輸功率較大的能量，如被動(dòng)式RFID標(biāo)簽的讀寫過程就是無線電既傳輸信息又傳輸能量的一個(gè)完美實(shí)例。無線充電也是用無線電來傳送能量。

　　無線充電技術(shù)，即Wireless charging technology，是指具有電池的裝置不需要借助于電導(dǎo)線，利用電磁波感應(yīng)原理或者其他相關(guān)的交流感應(yīng)技術(shù)，在發(fā)送端和接收端用相應(yīng)的設(shè)備來發(fā)送和接收產(chǎn)生感應(yīng)的交流信號(hào)來進(jìn)行充電的一項(xiàng)技術(shù)，源于無線電力輸送技術(shù)。

　　2　無線充電技術(shù)發(fā)展歷程

　　無線充電技術(shù)的研究，源于19世紀(jì)30年代，邁克爾•法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，即磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，從而在電線中產(chǎn)生電流。

　　但最早的無線電力傳輸思想是尼古拉•特斯拉(Nikola Tesla) 在19世紀(jì)90年代提出的無線電力傳輸構(gòu)想和無線輸電試驗(yàn)^[1,2]，因而有人稱之為無線電能傳輸之父。特斯拉構(gòu)想的無線電能傳輸方法是把地球作為內(nèi)導(dǎo)體，把地球電離層作為外導(dǎo)體，通過放大發(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，利用環(huán)繞地球的表面電磁波來傳輸能量。不過由于財(cái)力不足，特斯拉的大膽構(gòu)想沒能實(shí)現(xiàn)，這項(xiàng)最有野心的嘗試失敗。

　　進(jìn)入二十一世紀(jì)，隨著便攜式消費(fèi)類電子產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，對無線充電的研究成為一個(gè)熱點(diǎn)，并進(jìn)入高峰期。很多研究機(jī)構(gòu)和公司研制并發(fā)布了各自的無線充電產(chǎn)品，如無線充電的手機(jī)、mp3和便攜式電腦等;同時(shí)，無線充電技術(shù)原理也不斷有新的突破。

　　2007年美國麻省理工學(xué)院(MIT)的馬林•索爾賈?？?Marin Soljacic)等人使用兩個(gè)直徑為50cm的銅線圈，通過調(diào)整發(fā)射頻率使兩個(gè)線圈在10MHz產(chǎn)生共振，成功點(diǎn)亮了距離電力發(fā)射端2 m以外的一盞60W燈泡^[3，4]，這個(gè)被稱為WiTricity裝置采用共振原理，開創(chuàng)了磁共振式無線電能傳輸?shù)南群印?/p>

　　2009年，Palm最早將無線充電技術(shù)應(yīng)用在手機(jī)上，推出的充電設(shè)備“觸摸石”，并在拉斯維加斯舉行的電子產(chǎn)品展覽上展示，它利用電磁感應(yīng)原理為手機(jī)無線充電，當(dāng)設(shè)備放在墊塊上，兩個(gè)裝置會(huì)通過內(nèi)置感應(yīng)器識(shí)別對方，墊塊里面的磁鐵就會(huì)將手機(jī)與墊塊吸附在一起然后進(jìn)行充電。

　　3　無線充電的技術(shù)原理

　　從具體的技術(shù)原理及解決方案來說，目前無線充電技術(shù)主要有電磁感應(yīng)式、磁共振式、無線電波式、電場耦合式四種基本方式。這幾種技術(shù)分別適用于近程、中短程與遠(yuǎn)程電力傳送。

　　當(dāng)前最成熟、最普遍的是電磁感應(yīng)式。其根本原理是利用電磁感應(yīng)原理，類似于變壓器，在發(fā)送端和接收端各有一個(gè)線圈，初級(jí)線圈上通一定頻率的交流電，由于電磁感應(yīng)在次級(jí)線圈中產(chǎn)生一定的電流，從而將能量從傳輸端轉(zhuǎn)移到接收端，如圖1所示。PWC聯(lián)盟發(fā)起者Powermat公司用電磁感應(yīng)式推出過一款WiCC充電卡，與SD卡差不多大，內(nèi)部嵌有線圈和電極等組件，插入現(xiàn)有智能手機(jī)電池旁邊即可使用。

　　磁共振式也稱為近場諧振式，由能量發(fā)送裝置，和能量接收裝置組成，當(dāng)兩個(gè)裝置調(diào)整到相同頻率，或者說在一個(gè)特定的頻率上共振，它們就可以交換彼此的能量，其原理與聲音的共振原理相同，排列在磁場中的相同振動(dòng)頻率的線圈，可從一個(gè)向另一個(gè)供電，如圖2。技術(shù)難點(diǎn)是小型化和高效率化，被認(rèn)為是將來最有希望廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車無線充電的一種方式。

　　無線電波式，基本原理類似于早期使用的礦石收音機(jī)，主要有微波發(fā)射裝置和微波接收裝置組成。典型的是20世紀(jì)60年代布朗(William C. Brown)的微波輸電系統(tǒng)^[5,6]，其示意圖如圖3。整個(gè)傳輸系統(tǒng)包括微波源、發(fā)射天線、接收天線3部分;微波源內(nèi)有磁控管，能控制源在2. 45 GHz頻段輸出一定的功率;發(fā)射天線是64個(gè)縫隙的天線陣，接收天線擁有25%的收集和轉(zhuǎn)換效率。日本龍谷大學(xué)的移動(dòng)式無線充電系統(tǒng)，也是通過頻率為2.45GHz 的微波送電，點(diǎn)亮了行駛中的模型警車的警燈。