无线充电技术及其应用

2011-10-27河南省电子产品质量监督检验所谢利涛赵志强王彦莉

河南科技 2011年5期

河南省电子产品质量监督检验所谢利涛赵志强王彦莉

无线充电技术及其应用

河南省电子产品质量监督检验所谢利涛赵志强王彦莉

随着电子信息科技的发展和人民生活水平的提高，电子信息类应用产品逐步深入到老百姓的生活，中国已经成为世界最大的无线移动通讯市场。但无意中增加的各种充电线和数据线以及需要事先布置好的插座却给我们的生活带来了与日俱增的困扰。尽管目前已经有红外、蓝牙等无线数据传输方式可以减少线缆数量，但最基本的电力能源供应仍基于有线传输，“蛛网缠身”的感觉仍挥之不去。然而，随着电力传输技术的突飞猛进，为电子产品无线充电也已成为了可能。本文，笔者主要介绍了无线充电技术的发展历史及目前主要研究状况与应用，还提出无线充电技术的待解难题。

一、无线充电技术的发展历史

“无线充电”顾名思义就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。无线充电技术并不是当今才有的新技术，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，在1891年发明了“特斯拉线圈”，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。之后，人们虽然从理论上完全证实了这种方案的可行性，但是，由于技术发展水平上的限制，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”。

二、无线充电技术的发展现状及主要应用

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。

1.主要传播方式。科学家们认为进行无线电力传输是可能的。无线电力传输是一种区别于有线传输的特殊供电方式，目前无线电力传输主要有电磁感应、电磁共振和微波等3种不同的传输方式。

（1）电磁感应。这是目前最为常见的传输方式，通过发射端和接收端的线圈相互感应产生电流，从而实现电力传输。电磁感应是将线圈中的电流直接以电磁波形式进行1cm以下的近距离收发，收发设备需要有较高的识别能力，由于电磁波是向四面八方辐射而大量散失，因此效率较低，通常它只适合相互“贴着”的小功率电子产品。

目前最为常见的充电垫解决方案就采用了电磁感应，事实上，电磁感应解决方案在技术实现上并无太多神秘感，中国本土的比亚迪公司，早在2005年12月申请的非接触感应式充电器专利，就使用了电磁感应技术。因此目前该领域供应商采取的措施，就是使产品尽早上市，成为该领域的“事实标准”，从而成为最终的事实标准。由于电磁感应技术具有技术简单、充电高效，并能够运用于如充满水、沙泥及灰尘的各种恶劣环境中，未来很有可能在几种技术的较量中成为最终的赢家。

（2）电磁共振。当振荡电路为非理想状态而有电阻时，电阻发热，成为阻尼振荡；当振荡电路中有外加的周期性电动势作用时，将成为受迫振荡；当外加电动势的频率与电路自由振荡的固有频率ω相同时，振幅达最大值，叫电磁共振。

电磁共振是目前正在研究的一种电力传输方式，是利用电流通过线圈产生同频率的磁场共振实现无线供电，磁场的强弱决定了它的传输距离和效率，它可以实现10m左右距离的室内供电。但由于目前的实验所需要的线圈直径较大，还仅仅停留在实验阶段，而且，必须对其相应频率进行保护，防止相同频率的电磁波进行干扰，降低效率。

（3）微波。微波是另一种较为成熟的无线充电方式，其电能传输与老式的矿石收音机的收音过程相似。矿石收音机自身没有直流电源，它利用天线接收来自电台的载波，经过检波后在听筒中产生音频电流。微波传输电脑其原理就是将电力以微波或激光形式发射到远程的接收设备，然后通过整流、调制等处理后使用。

该领域的代表公司Powercast表示，其最终研制的微型高效接收电路，可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量，在随负载做出调整的同时保持稳定的直流电压。只需一个安装在墙身插头的发送器，以及可以安装在任何低电压产品的“蚊型”接收器，Powercast解决方案就可以将无线电波转化成直流电，在约1m范围内为不同电子装置的电池充电。目前，该公司已经与菲利浦公司签署了合作协议。

2.发展现状及应用。虽然研究人员一直试图解决无线充电技术，并已提出了不同的解决方案。不过大部分方案只是处于试验阶段，还有很多无法解决的技术难题。最流行的两个解决方案是电磁感应和电磁共振。

（1）电磁感应法。麻省理工学院的研究团队在2007年6月7日美国《科学》杂志的网站上发表了他们的研究成果。研究小组把共振运用到电磁波的传输上而成功“抓住”了电磁波。他们利用铜制线圈作为电磁共振器，一团线圈附在传送电力方，另一团在接受电力方。当传送方送出某特定频率的电磁波后，经过电磁场扩散到接受方，电力就实现了无线传导。这项被他们称为“无线电力”的技术经过多次试验，已经能成功为一个2m外的60W灯泡供电。根据北美电力研讨会最新发布的论文显示，在2008年9月，他们已经在美国内华达州的雷电实验室成功地将800W电力用无线的方式传输到5m远的距离，见图1。

图1 电力无线传输实验

目前，英国剑桥Splashpower公司已经发明一种无线充电解决方案，可使手机不用接到电缆上就能给手机电池充电。该方案主要有两部分组成：Splash充电板和Splash电力接收器。充电板与设备之间没有物理连线，电能是通过安放在充电板和电力接收器中的感应线圈传送的，接收器被暗置在手机、掌上电脑或其他类似装置中。

（2）磁共振法。日本富士通公司也研发了一项新的无线充电技术，富士通的无线充电技术利用了磁共振在充电器与设备之间的空气中传输电荷，线圈和电容器则在充电器与设备之间形成共振。富士通表示这一系统可以在未来得到广泛应用，例如，针对电动汽车的充电区以及针对电脑芯片的电量传输。采用这项技术研制的充电系统所需要的充电时间只有当前的1/150。

无线充电技术还可在市政交通方面有所建树。据国外媒体报道，英国HaloIPT公司近日在伦敦利用其最新研发的感应式电能传输技术成功实现为电动汽车无线充电。2010年3月，第一辆无线充电电动车在韩国京畿道果川市的首尔大公园试运行。这种电动车在铺有电感应带的路面上行驶时可以无线充电，而不用像传统电动车那样需要通过路轨或车顶电线获得电力。该车被称作网E电动车，由植入地面下约5cm处的充电带提供电力驱动。