想到未來(lái)特斯拉電動(dòng)車可以不再連接充電樁而是直接無(wú)線充電是不是很炫酷?不過(guò)，讓這一切技術(shù)成為可能還要?dú)w功于功勛卓越的科學(xué)家尼古拉˙特斯拉，正是他在100年前進(jìn)行的無(wú)線電能傳輸實(shí)驗(yàn)為今天無(wú)線充電技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展無(wú)線電能傳輸技術(shù)已經(jīng)取得了哪些成績(jī)?未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)如何?此文將帶你進(jìn)入無(wú)線電能傳輸?shù)氖澜纭?/p>
無(wú)線電能傳輸(Wireless Power Transfer)自20世紀(jì)初尼古拉˙特斯拉(Nikola Tesla)首次試驗(yàn)以來(lái)，已經(jīng)有了一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展。從1891到1904年間，特斯拉展開(kāi)了一系列試驗(yàn)，通過(guò)磁感應(yīng)耦合線圈將交流電無(wú)線傳輸一個(gè)很短的距離。圖1正是特斯拉試驗(yàn)的一個(gè)原理圖，通過(guò)磁感應(yīng)耦合，特斯拉成功通過(guò)無(wú)線電能傳輸?shù)姆绞近c(diǎn)亮了一只燈泡。
1901年，特斯拉開(kāi)始在紐約長(zhǎng)島建造大型高壓線圈——沃登克里弗塔，又叫做特斯拉塔，目標(biāo)是構(gòu)建全球輸電系統(tǒng)的原型，可惜到1904年，他的計(jì)劃被迫停止，至今也未完成。
自此以后，無(wú)線電能傳輸?shù)难芯块_(kāi)始向兩個(gè)方向發(fā)展：
近場(chǎng)：或者叫做非輻射域。一般認(rèn)為小于一個(gè)波長(zhǎng)的距離。
遠(yuǎn)場(chǎng)：或者叫做輻射域。一般認(rèn)為大于一個(gè)波長(zhǎng)的距離。
近場(chǎng)方面，無(wú)線電能傳輸?shù)闹饕獙?shí)現(xiàn)方式有：磁感應(yīng)耦合，電容耦合，動(dòng)磁耦合。遠(yuǎn)場(chǎng)方面，無(wú)線電能傳輸?shù)闹饕獙?shí)現(xiàn)方式有：微波，激光。下面就說(shuō)一下比較代有表性的磁感應(yīng)耦合和微波。
磁感應(yīng)耦合，又分為一般磁感應(yīng)耦合和共振磁感應(yīng)耦合。后者較之前者工作在一次側(cè)和二次共同諧振頻率上，由于耦合線圈具有很高的Q值，所以在諧振狀態(tài)下可以實(shí)現(xiàn)高效率的感應(yīng)耦合。此外，二者在工作頻率和傳輸距離上也有一些區(qū)別。前者一般工作在Hz~MHz，適用于近距離傳輸;后者一般工作在MHz~GHz，適用于近距離和中距離傳輸。對(duì)于共振磁感應(yīng)耦合，最著名的應(yīng)該是MIT的研究者在2007年這篇paper里所述的工作，他們成功利用共振磁感應(yīng)耦合的方式點(diǎn)亮了一個(gè)8倍于線圈半徑的，2米之外的60W燈泡。
基于磁感應(yīng)耦合的無(wú)線充電是目前研究最多，應(yīng)用最廣泛的方式，從我們生活中熟悉的電動(dòng)牙刷，手機(jī)，到電動(dòng)汽車，再到植入人體的醫(yī)療設(shè)備，無(wú)線充電以可以接受的的充電效率和其他眾多優(yōu)勢(shì)(安全，多設(shè)備同時(shí)充電，酷炫等等)已經(jīng)被應(yīng)用到眾多產(chǎn)品中。圖3~5分別是磁感應(yīng)耦合式無(wú)線充電實(shí)際應(yīng)用。
微波，具有更好的傳輸支線性和距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，通常工作在GHz。基于微波的無(wú)線電能傳輸技術(shù)主要考慮應(yīng)用在太陽(yáng)能衛(wèi)星向地面?zhèn)鬏斈芰亢托⌒蜔o(wú)人機(jī)的供能方面。相關(guān)的工作早在1964年美國(guó)就通過(guò)微波實(shí)現(xiàn)了一架懸停于18m高的直升飛機(jī)供電。最近又有報(bào)道稱日本的三菱重工成功兩次實(shí)現(xiàn)了微波無(wú)限電能傳輸，傳輸距離達(dá)到了500米。
對(duì)于未來(lái)無(wú)線電能輸電的研究方向，主要有：
1、進(jìn)一步提高傳輸效率。盡管目前磁感應(yīng)耦合式的無(wú)線電能傳輸效率已經(jīng)能高達(dá)90%，但幾乎都是在一次側(cè)與二次側(cè)線圈完全對(duì)準(zhǔn)并且距離很小的時(shí)候的最高效率。如何減小傳輸效率隨線圈距離增加而快速下降?如何實(shí)現(xiàn)諧振狀態(tài)跟蹤，使系統(tǒng)諧振狀態(tài)一直保持不隨線圈距離變化而改變?如何設(shè)計(jì)更高效的線圈?這些都是近幾年無(wú)線電能傳輸領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。
2、提高電能傳輸功率。自從2009年無(wú)線充電聯(lián)盟(Wireless Power Consortium)提出第一版的“Qi”標(biāo)準(zhǔn)以來(lái)，低功率5W或以下的磁感應(yīng)耦合無(wú)線充電已經(jīng)有了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。直到2013年，該聯(lián)盟成員已有145家公司，包括諾基亞、HTC、三星等。在未來(lái)，期待有千瓦級(jí)適用于電動(dòng)汽車的無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)的誕生，這將會(huì)是無(wú)線充電在電動(dòng)汽車領(lǐng)域運(yùn)用的一個(gè)新的里程碑。
3、增加傳輸距離。Qi標(biāo)準(zhǔn)中的傳輸距離從5mm到40mm，對(duì)于中等距離的無(wú)線電能傳輸，可以通過(guò)加設(shè)中繼線圈實(shí)現(xiàn)，如4線圈系統(tǒng)，甚至是多米勒骨牌式的線圈系統(tǒng)，如圖6。
4、對(duì)其他物體的監(jiān)測(cè)和屏蔽，減少對(duì)其他非接收物體的影響。這一點(diǎn)對(duì)于大功率，遠(yuǎn)距離的無(wú)線電能傳輸尤為重要。
總而言之無(wú)線電能傳輸技術(shù)作為一種新的電能傳輸方式，還有許許多多的問(wèn)題值得去研究。無(wú)線電能傳輸體現(xiàn)了人類對(duì)能源高效，靈活，以及在各種環(huán)境下使用的追求。也許在未來(lái)，人類擺脫了終端設(shè)備對(duì)導(dǎo)線的依賴，克服了極端環(huán)境對(duì)傳輸線的要求，我們的個(gè)人設(shè)備，智能樓宇，醫(yī)療健康器械，都具有了無(wú)線充電的方式，我們?cè)僖膊挥脼榧m纏在一起的各種充電線而煩惱，也不用因有限的充電端口郁悶，我們甚至感受不到電源的存在，再也不用擔(dān)心忘記充電，因?yàn)椋姷教幎加醒健?/p>
