無線充電技術及其特殊應用前景

　　摘要：對無線充電技術及發展歷程作了闡述，并對電磁感應式、磁共振式、無線電波式和電場耦合式等技術原理進行了分析。在目前無線充電技術面臨的挑戰和機遇狀況下，展望了無線充電技術的應用前景，將在醫用植入設備、無線傳感網和防水密封電子設備等特殊領域將會有更廣闊的應用。

　　1　無線充電技術概述

　　無線電技術是信息時代的核心技術之一，無線電用于通信，如無線電廣播、無線電報、衛星和微波通信、移動通信和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，如被動式RFID標簽的讀寫過程就是無線電既傳輸信息又傳輸能量的一個完美實例。無線充電也是用無線電來傳送能量。

　　無線充電技術，即Wireless charging technology，是指具有電池的裝置不需要借助于電導線，利用電磁波感應原理或者其他相關的交流感應技術，在發送端和接收端用相應的設備來發送和接收產生感應的交流信號來進行充電的一項技術，源于無線電力輸送技術。

　　2　無線充電技術發展歷程

　　無線充電技術的研究，源于19世紀30年代，邁克爾•法拉第發現電磁感應現象，即磁通量變化產生感應電動勢，從而在電線中產生電流。

　　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90年代提出的無線電力傳輸構想和無線輸電試驗^[1,2]，因而有人稱之為無線電能傳輸之父。特斯拉構想的無線電能傳輸方法是把地球作為內導體，把地球電離層作為外導體，通過放大發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，利用環繞地球的表面電磁波來傳輸能量。不過由于財力不足，特斯拉的大膽構想沒能實現，這項最有野心的嘗試失敗。

　　進入二十一世紀，隨著便攜式消費類電子產品的廣泛應用，對無線充電的研究成為一個熱點，并進入高峰期。很多研究機構和公司研制并發布了各自的無線充電產品，如無線充電的手機、mp3和便攜式電腦等;同時，無線充電技術原理也不斷有新的突破。

　　2007年美國麻省理工學院(MIT)的馬林•索爾賈希克(Marin Soljacic)等人使用兩個直徑為50cm的銅線圈，通過調整發射頻率使兩個線圈在10MHz產生共振，成功點亮了距離電力發射端2 m以外的一盞60W燈泡^[3，4]，這個被稱為WiTricity裝置采用共振原理，開創了磁共振式無線電能傳輸的先河。

　　2009年，Palm最早將無線充電技術應用在手機上，推出的充電設備“觸摸石”，并在拉斯維加斯舉行的電子產品展覽上展示，它利用電磁感應原理為手機無線充電，當設備放在墊塊上，兩個裝置會通過內置感應器識別對方，墊塊里面的磁鐵就會將手機與墊塊吸附在一起然后進行充電。

　　3　無線充電的技術原理

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

　　當前最成熟、最普遍的是電磁感應式。其根本原理是利用電磁感應原理，類似于變壓器，在發送端和接收端各有一個線圈，初級線圈上通一定頻率的交流電，由于電磁感應在次級線圈中產生一定的電流，從而將能量從傳輸端轉移到接收端，如圖1所示。PWC聯盟發起者Powermat公司用電磁感應式推出過一款WiCC充電卡，與SD卡差不多大，內部嵌有線圈和電極等組件，插入現有智能手機電池旁邊即可使用。

　　磁共振式也稱為近場諧振式，由能量發送裝置，和能量接收裝置組成，當兩個裝置調整到相同頻率，或者說在一個特定的頻率上共振，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頻率的線圈，可從一個向另一個供電，如圖2。技術難點是小型化和高效率化，被認為是將來最有希望廣泛應用于電動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，主要有微波發射裝置和微波接收裝置組成。典型的是20世紀60年代布朗(William C. Brown)的微波輸電系統^[5,6]，其示意圖如圖3。整個傳輸系統包括微波源、發射天線、接收天線3部分;微波源內有磁控管，能控制源在2. 45 GHz頻段輸出一定的功率;發射天線是64個縫隙的天線陣，接收天線擁有25%的收集和轉換效率。日本龍谷大學的移動式無線充電系統，也是通過頻率為2.45GHz 的微波送電，點亮了行駛中的模型警車的警燈。