无线充电技术的发展

引言

“无线充电”是利用一种特殊设备将电源插座的电力转变为可充电的电波，从而在扔掉电线的情况下直接对电子设备充电。无线充电大致上是通过磁场输送能量。无线充电还有一个好处是省电，无线充电设备的效能接收在70%左右，具备电满自动关闭功能，避免了不必要的能耗。而且，这个效能接收率在不断提高，很快将能达到98%。对于不同的电子产品，电源接口能自动对应，需要充电时，发射器和接收芯片会同时自动开始工作，充满电时，两方就会自动关闭。它还能自动识别不同的设备和能量需求。

1 无线充电技术

其实早在1890年，物理学家兼电气工程师尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）就已经做了无线输电试验（图1）。他提出并实现了交流发电。磁感应强度的国际单位制也是以他的名字命名的。特斯拉构想的无线输电方法，是把地球作为内导体、地球电离层作为外导体，通过放大发射机以径向电磁波振荡模式，在地球与电离层之间建立起大约8Hz的低频共振，再利用环绕地球的表面电磁波来传输能量。但因财力不足，特斯拉的大胆构想并没有得到实现。后人虽然从理论上完全证实了这种方案的可行性，但世界还没有实现大同，想要在世界范围内进行能量广播和免费获取也是不可能的。因此，一个伟大的科学设想就这样胎死腹中。

特斯拉进行无线电力传输实验

事实上，从低频波到宇宙射线，我们周围到处存在着电磁波，它们都携带着或多或少的能量。在不少物理学家看来，人们要做的或许仅仅是找到合适的办法接收和利用这些能量。特斯拉的想法虽然难成现实，但无线电能传输对于新能源的开发和利用、解决未来能源短缺问题有着重要的意义，因此，许多国家都没有放弃这方面的研究。1968年，美国工程师彼得·格拉泽（Peter Glaser）提出了空间太阳能发电（Space Solar Power，SSP）的概念，其构想是在地球外层空间建立太阳能发电基地，通过微波将电能传输回地球（图2），并通过整流天线把微波转换成电能。1979年，美国航空航天局NASA和美国能源部联合提出太阳能计划-建立“SPS太阳能卫星基准系统”。欧盟则在非洲的留尼汪岛建造了一座10万千瓦的实验型微波输电装置，已于2003年向当地村庄送电。野心勃勃的日本拟于2020年建造试验型太空太阳能发电站SPS2000，2050年进入规模运行。

其实，无线充电技术离我们这些普通人也并非遥不可及。相信一定有人使用过某种品牌的电动牙刷（图3），只要将牙刷插入220V的充电座上即可实现不接触的无线充电，使用起来很方便。这种无线充电就是利用电磁感应原理，解决了潮湿环境下的用电安全问题。

无线电能传输有电磁感应、射频和微波三种基本方式，这三种技术分别适用于近程、中短程与远程电力传送。但每种无线充电方式都有一些缺点，从而限制了它的发展。例如电磁感应方式传送能量较小、传送范围较小等，这也是为什么电动牙刷必须放在充电座上才能充电，而不能将牙刷任意摆放的原因。所以，现在各家公司的研究方向就是对这些技术进行改良和完善，从而最终实现商品化。

2 感应“垫子”上市，无线充电不是梦想

香港城市大学的许树源教授早在几年前就曾经成功研制出一种“无线电池充电平台”，可将数个电子产品放在一个充电平台上，透过低频电磁场充电，充电时间与传统充电器无异，技术实现也不深奥。这种无线电池充电平台利用的就是变压器原理-变化的磁场中闭合的金属线圈会产生电流。而英国SplashPower公司2005年初上市的无线充电器Splash pads（图4），就是变压器原理商业化的无线充电产品。

Splash Pads看上去就像一块柔软的鼠标垫，它的塑胶薄膜里面装有产生磁场的小线圈阵列（变压器原边），以及由磁性合金绕以电线制成的口香糖大小的接收线圈（变压器副边，可以贴在电子设备上，图5）。在CES 2007上，WildCharge公司也推出了两款无线充电器产品WildCharger和WildCharger-Mini（图6）。WildCharge的无线充电器与SpashPower公司的产品外观非常相似，也是垫子模样的东西。WildCharger的功率较大，除了可以给手机和媒体播放器充电以外，还可以为笔记本电脑充电，而WildCharger-Mini毕竟个子小，只能给手机等小型设备充电。据称WildCharge公司将从最近开始在网上销售这类无线充电产品。

图5电磁感应方式的无线充电原理

3 解决无线电力传输的距离问题——共振

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