无线充电技术及其特殊应用前景

　　摘要：对无线充电技术及发展历程作了阐述，并对电磁感应式、磁共振式、无线电波式和电场耦合式等技术原理进行了分析。在目前无线充电技术面临的挑战和机遇状况下，展望了无线充电技术的应用前景，将在医用植入设备、无线传感网和防水密封电子设备等特殊领域将会有更广阔的应用。

　　1　无线充电技术概述

　　无线电技术是信息时代的核心技术之一，无线电用于通信，如无线电广播、无线电报、卫星和微波通信、移动通信和GPS等，大家深谙熟知。然而，无线电既是信息又是能量，它不仅可以承载微弱的通信信息，还可以传输功率较大的能量，如被动式RFID标签的读写过程就是无线电既传输信息又传输能量的一个完美实例。无线充电也是用无线电来传送能量。

　　无线充电技术，即Wireless charging technology，是指具有电池的装置不需要借助于电导线，利用电磁波感应原理或者其他相关的交流感应技术，在发送端和接收端用相应的设备来发送和接收产生感应的交流信号来进行充电的一项技术，源于无线电力输送技术。

　　2　无线充电技术发展历程

　　无线充电技术的研究，源于19世纪30年代，迈克尔•法拉第发现电磁感应现象，即磁通量变化产生感应电动势，从而在电线中产生电流。

　　但最早的无线电力传输思想是尼古拉•特斯拉(Nikola Tesla) 在19世纪90年代提出的无线电力传输构想和无线输电试验^[1,2]，因而有人称之为无线电能传输之父。特斯拉构想的无线电能传输方法是把地球作为内导体，把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，利用环绕地球的表面电磁波来传输能量。不过由于财力不足，特斯拉的大胆构想没能实现，这项最有野心的尝试失败。

　　进入二十一世纪，随着便携式消费类电子产品的广泛应用，对无线充电的研究成为一个热点，并进入高峰期。很多研究机构和公司研制并发布了各自的无线充电产品，如无线充电的手机、mp3和便携式电脑等;同时，无线充电技术原理也不断有新的突破。

　　2007年美国麻省理工学院(MIT)的马林•索尔贾希克(Marin Soljacic)等人使用两个直径为50cm的铜线圈，通过调整发射频率使两个线圈在10MHz产生共振，成功点亮了距离电力发射端2 m以外的一盏60W灯泡^[3，4]，这个被称为WiTricity装置采用共振原理，开创了磁共振式无线电能传输的先河。

　　2009年，Palm最早将无线充电技术应用在手机上，推出的充电设备“触摸石”，并在拉斯维加斯举行的电子产品展览上展示，它利用电磁感应原理为手机无线充电，当设备放在垫块上，两个装置会通过内置感应器识别对方，垫块里面的磁铁就会将手机与垫块吸附在一起然后进行充电。

　　3　无线充电的技术原理

　　从具体的技术原理及解决方案来说，目前无线充电技术主要有电磁感应式、磁共振式、无线电波式、电场耦合式四种基本方式。这几种技术分别适用于近程、中短程与远程电力传送。

　　当前最成熟、最普遍的是电磁感应式。其根本原理是利用电磁感应原理，类似于变压器，在发送端和接收端各有一个线圈，初级线圈上通一定频率的交流电，由于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，如图1所示。PWC联盟发起者Powermat公司用电磁感应式推出过一款WiCC充电卡，与SD卡差不多大，内部嵌有线圈和电极等组件，插入现有智能手机电池旁边即可使用。

　　磁共振式也称为近场谐振式，由能量发送装置，和能量接收装置组成，当两个装置调整到相同频率，或者说在一个特定的频率上共振，它们就可以交换彼此的能量，其原理与声音的共振原理相同，排列在磁场中的相同振动频率的线圈，可从一个向另一个供电，如图2。技术难点是小型化和高效率化，被认为是将来最有希望广泛应用于电动汽车无线充电的一种方式。

　　无线电波式，基本原理类似于早期使用的矿石收音机，主要有微波发射装置和微波接收装置组成。典型的是20世纪60年代布朗(William C. Brown)的微波输电系统^[5,6]，其示意图如图3。整个传输系统包括微波源、发射天线、接收天线3部分;微波源内有磁控管，能控制源在2. 45 GHz频段输出一定的功率;发射天线是64个缝隙的天线阵，接收天线拥有25%的收集和转换效率。日本龙谷大学的移动式无线充电系统，也是通过频率为2.45GHz 的微波送电，点亮了行驶中的模型警车的警灯。