科学范｜无线充电之路

电话、电灯、电脑、电冰箱，这些与电紧密相连的设备，无论是日常生活中的实用工具，还是文学创作中的生动比喻，电都始终是我们生活中不可或缺的一部分。若回溯历史，第二次工业革命正是以电力的广泛应用为标志，电灯的发明更是其象征。

在当代生活中，电力设备极大地丰富了我们的日常生活，为我们提供了诸多便利，我们已渐渐适应了依赖电力生活的方式。从大到电脑、冰箱、空调、电车、动车，到小至手电筒、电动牙刷、运动手环，一旦遭遇停电或电量不足，许多人便会惊呼“出了事故”，这一现象揭示了大家对电力缺失的担忧。在这个手机普及的时代，许多人所感受到的焦虑很大程度上源于手机电量降至20%以下时发出的警报声。

我们主要依赖两种途径来使用电能，一是直接利用输送过来的电量，不依赖于电量储存装置，比如电冰箱、空调等家用电器；二是依赖电量储存装置（如电池）提供的电力，一旦电量储存装置的电量耗尽，我们便需对其进行充电，例如电动车、手机等。

电器设备的增多导致电线数量激增，这让我们感到愈发烦恼。电线之间相互交织，难以理清。因此，人们开始思考，既然过去的网线已升级为无线WIFI，那么我们的电线供电是否也能转变为无线供电。实际上，关于无线供电的研究早在很久以前就已经启动了。

一、无线的探索之途

在无线供电技术的开拓中，一位极具影响力的科学家，即享有盛誉的交流电领域美籍塞尔维亚人尼古拉·特斯拉，作出了卓越的贡献。他在1891年创造出了特斯拉线圈，这是一种基于共振原理工作的变压器，主要用于生成高电压、低电流以及高频率的交流电。实际上，特斯拉线圈的定义并不明确，因为特斯拉曾对众多线圈配置进行了实验。特斯拉通过这些线圈开展了多项实验，包括电气照明、萤光光谱的观测、X射线的发现、高频交流电现象的研究、电疗技术的探索以及无线电力传输的试验，目的在于实现电力的有效传输。

尼古拉·特斯拉

1891年7月30日，特斯拉年满35岁，正式成为美国公民。同年，他在纽约第五大道设立了自己的实验室。在该实验室，他运用机电振荡器开展了机械共振实验，导致周边某些建筑物出现共振现象。随着实验速度的提升，他通过仪器成功测量出了房屋的共振频率。此外，特斯拉还在纽约部分地区利用无线电技术点亮了电灯，这一行为为无线传输的可能性提供了有力证据。这也是无线供电开始被研究的重要节点。

1899年，特斯拉作出选择，搬迁至科罗拉多州的斯普林斯，那里是进行高频高压实验的理想之地，随即在当地展开了研究工作。抵达当地不久，他向记者透露，他正在进行一项实验，旨在将派克斯峰（一座位于附近的山峰）的信号无线传输至巴黎，这项实验实质上是在探索无线传输能量与电力的方法。

经过数月的深入研究，到了1900年，特斯拉作出了一个重要决策，即于纽约长岛着手建造一座专门用于进行跨大西洋无线电广播及无线电能传输实验的设施——“特斯拉线圈”，亦即著名的沃登克里弗无线传输电能塔。他的目的是，通过这个塔的构建，为未来实现向全球无线设备提供无线供电的宏伟设想奠定坚实的基础。

遗憾的是，在1901年12月12日，马可尼成功实现了跨越大西洋的无线电传输实验。然而，这一成就让摩根决定终止对特斯拉实验项目的资金支持，因为马可尼的实验是在特斯拉之前完成的。到了1903年，特斯拉陷入了严重的财务困境。而到了1912年，沃登克里弗塔也遭到了拆除的命运。尽管实验并未取得成功，然而特斯拉在无线供电领域所构建的理论与实验框架，对今后无线供电技术的实现起到了至关重要的促进作用。

沃登克里弗塔

让我们回到2007年。当时，麻省理工学院有一个名为WiTricity的实验项目团队，该团队由Marin Soljai教授担任负责人。他们专注于磁耦合共振技术的研发。在这一年，Marin Soljai教授及其团队成员在相距2米的距离上，成功完成了首次高效的非辐射能量转换实验，成功点亮了一盏功率为60瓦的灯泡。能量转换的效率达到了40%，这在此次试验中尤为显著。这一试验还被公认为开启了现代无线供电的新纪元。

MIT无线输电实验

Soljai教授在无线能量传输领域的研究和实验，与20世纪初期的特斯拉研究有所关联，然而二者存在显著区别。特斯拉在科罗拉多州进行的远程无线能量传输实验与WiTricity小组的研究方向相异，后者专注于近场传输，采用的是磁感应技术，而特斯拉则是运用磁共振技术。

随后，该公司在上述小组的灵感激发下应运而生。WiTricity公司专注于无线电力传输技术的研发，并且已经与多家汽车品牌建立了合作关系，包括奥迪、宝马、克莱斯勒、捷豹、日产以及丰田。

2009年，WiTricity公司CEO Eric Giler在牛津举办的TED会议上亮相，展出了他们公司的新技术。在该会议上，他们展示了如何为一台电视机和三部手机同时进行无线充电。

二、无线的传输之道

无线供电的发展历程已概述完毕，接下来，我将深入探讨这一过程的实现方式。正如前文所述，电能的获取途径主要有两种，无线供电亦遵循此原则，它涵盖了无线传输和无线供电两种形式。尽管这两种方式在电能的应用方式上存在差异，但为了更好地阐述无线供电的原理，此处以无线充电为例进行详细说明和讲解。

正如前文所述，麻省理工学院成功实现了2米的无线电力传输实验。因此，无线充电技术的标准化变得尤为迫切，并且一旦实现标准化，将对无线充电技术的研发与广泛应用产生显著的促进作用。

在2009年1月，WiPower公司正式推出了磁共振A4WP技术规范，这一标准能够实现最高50瓦的功率传输，传输距离可达到5厘米，且功率传输的频率设定为6.78兆赫兹。

2010年7月，无线充电联盟（WPC）正式推出了磁感应Qi充电标准。该标准涵盖了5瓦或更低功率的移动设备。

2012年1月，IEEE发布磁感应PMA标准。

2015年9月，A4WP与PMA合并，组成了名为AirFuel Alliance（AFA）的新联盟，旨在推动无线充电标准的统一化进程。

至此，无线充电领域已经确立了两套主要的标准体系，分别是WPC推出的Qi标准，以及AFA提出的AirFuel Resonant（即A4WP标准）和AirFuel Inductive（亦称PMA标准）。

尽管存在两大不同的标准，它们在根本原理上却存在某些共通之处。Qi标准与AirFuel Inductive标准在相似度上相当高，两者都采用了磁感应技术，并且具有较高的兼容性；然而，AirFuel Resonant标准与前两者截然不同，采用的是磁共振技术。所以，我们无需将WPC与AFA视为完全的对立面，因为不论是充电器还是接收器，在选择标准时，首要考虑的往往是采用磁感应还是磁共振技术。

无线充电技术分类

无线充电技术主要被划分为非放射性及放射性两大类别。在放射性充电技术中，又细分为电波（即微波）和激光两种形式；而在非放射性充电技术中，则包括磁耦合和电耦合两种。目前，磁耦合式充电技术已成为主流，它又可进一步分为电磁感应和磁共振两种具体方式。接下来，本文将重点阐述这两种磁耦合充电技术，并对其他无线充电技术进行简要概述。

无论是磁感应式还是磁共振式，其运作的原理都基于电磁感应。电磁感应构成了发电机、变压器等众多电力设备运作的根本。迈克尔·法拉第通常被认为是1831年首次揭示感应现象的人。

导体置于磁通量变化的区域时，将产生一种电动势，这种电动势被称作感应电动势或感生电动势。若将导体闭合构成回路，该电动势将促使电子移动，从而产生感应电流，亦即我们常说的感生电流。这实际上是指磁场的变化能够生成电场，简而言之，即磁生电。而磁生电的定量关系则由法拉第的电磁感应定律所阐述。我们日常所见的交流电变压器正是基于这一原理运作。此外，变压器的工作还涉及电流的磁效应，即电流在其周围会形成磁场，而电流的变化则会引起磁场的相应变化，这一过程可以概括为电生磁。电生磁这一现象最早是由丹麦的物理学家兼化学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特在1820年发现的。

1.磁感应式无线充电

电磁感应示意图

图示直观地展示了这一过程。左侧的线圈通过通入变化的电流，这电流进而产生了变化的磁场；位于中间的铁圈，其作用在于锁定磁场，以降低漏磁现象。右侧的线圈在感受到这种变化的磁场后，便产生了电流；而这一电流的变化会在右侧的电流表上表现为指针的摆动。这正是变压器运作的基本原理，通过两线圈匝数的差异，从而实现电压的转换。

我们移除上方的铁环，将两侧的线圈压扁展平，将接收线圈置于手机的后部，而发射线圈则与电源相接，如此一来，便成功构建了一个基本的无线充电设备。正是基于此原理，第一代磁感应式无线充电器得以问世。

我们将线圈发射端和接收端的电感分别命名为L1和L2，而它们之间的互感则记作M。磁耦合的强度可以通过耦合系数k来衡量，据此，我们可以得出以下公式：

两个线圈的电感与互感满足L1L2≥M2的条件，因此，耦合系数的取值范围在0至1之间。在不存在漏磁通的理想状态中，耦合系数达到最大值1，即全耦合状态。然而，在实际应用中，耦合系数的数值通常小于1，并且随着线圈间距离的增加，漏磁通量增多，进而导致耦合系数逐渐降低，直至趋近于0。

磁感应式无线充电示意图

上文所述的MIT实验采用了磁感应无线充电技术。这种充电方式的优势在于其系统结构相对简单，成本较低，且便于小型化。然而，磁感应无线充电也存在不足，那就是由于缺乏磁性材料的限制，发射线圈中的部分磁通无法穿过接收线圈，导致耦合度较低。在充电过程中，线圈间必须维持一定程度的接近，因为随着它们之间的距离增大，部分磁通会转变为漏磁通，无法有效传输，进而使得两个线圈的磁耦合能力下降。因此，在使用手机进行无线充电时，必须确保手机与无线充电器精确对齐并紧密贴合。若不然，可能会遇到手机看似已放置在充电器上，但醒来时却发现电量并未增加的尴尬局面。

2.磁共振式无线充电

磁共振式无线充电示意图

磁共振无线充电器通过谐振元件（如电感和电容）来调整发射端与接收端至特定频率，以此实现磁场共振，进而实现能量的传输，具体来说，就是当发射端与接收端的谐振频率相匹配时，便开始进行电力输送。这一原理与声音共振的原理相似。记得在初中时期，我们都曾进行过类似的实验，将振动频率相同的音叉排列好，一旦其中一个音叉发声，其余的音叉也会产生共振而发声。同样地，那些在磁场中排列且振动频率一致的线圈，彼此之间也可以相互提供能量。

磁共振式无线充电概念图

我们通常采用的谐振元件是LC谐振电路，该电路由一个电感（标记为L）和一个电容（标记为C）组合而成。在振荡电路中，当电磁振荡发生且无能量损耗，且不受外界干扰时，其电磁振荡的周期与频率便构成了振荡电路的固有周期与固有频率。该固有周期可通过以下公式计算得出：

因此开yun体育app入口登录，一旦为送电线圈接入电源，与之固有频率相匹配的受电线圈便会产生感应电流，从而完成电能的传输。先前所提及的TED演示以及法拉第进行的众多实验，其核心原理均为基于磁共振效应的无线充电技术。

此方法的优势在于能够增大线圈之间的对置间距，即便线圈中心存在轻微偏移，电力传输依然可行，因而适用于为多台移动设备同时充电。然而，其不足之处在于构建系统较为复杂，成本较高，且不易实现小型化。

3.无线充电一般步骤

一般无线充电步骤分为：检测、通信、供电三个阶段。

检测环节包括：辨别可用于供电的设备以及异物（FOD）。若接收器被置于发射器的有效工作区间内，发射器将进行检测，确认是否有一台接收器正在接近。

在通讯环节，首先要进行身份的核实。发射设备会发送数据包，同时为接收设备提供电力并启动它，随后接收设备会回传相应的数据，以此完成身份的验证过程。

充电环节中，电能的传输得以实施。完成身份验证步骤后，发射设备会依据接收端设备的种类，挑选合适的功率及一系列参数，对接收器进行充电。

以Qi标准为例，整体流程如下：

Qi标准无线充电流程

需指出的是，无论是磁感应式还是磁共振式，通过电线圈感应得到的均为交流电。鉴于我们所讨论的是无线充电技术，故此感应出的交流电需为电池等电能储存装置充电。而充电过程需要直流电，因此，在接收装置中，都会配备整流和滤波电路，以对交流电进行整流和滤波处理。如此处理后的电流，便能够为电池充电。这便是无线充电的整个流程。

因此，根据上述分析，无论是磁感应还是磁共振技术，它们各自都有其独特的长处和不足。在供电范围、系统构建的复杂程度、成本投入、产品体积、单次充电的设备数量、充电功率、频率以及效率等多个方面，均未存在一种技术能够完全满足我们在不同应用场景下的通用需求。因此，当前无线充电技术仍面临较为尴尬的处境。

这就是无线充电技术中主要采用的两种方法开yunapp体育官网入口下载手机版，接下来，我将简要地为大家介绍另外三种无线充电技术。

4.激光式

电源系统充当能量供应者，为激光器提供电力，实现电能向激光能的转换；制冷系统协同工作，确保了能量转换效率的提升。激光能通过跟瞄系统精准传输至光伏阵列；光伏阵列再将激光能转化为电能，为电池充电，进而为发动机提供动力或执行其他任务。

5.无线电波式

这项技术已相对成熟，与早期的矿石式收音机相似，主要由微波发射器和微波接收器构成。它能捕捉到反射自墙壁的无线电波能量，并在负载变化时维持稳定的直流电压输出。采用此技术，仅需一个固定于墙插的发射器，以及可嵌入任何低压设备的微型接收器。传输系统由微波发生器、发射端天线以及接收端天线三大组件构成；微波发生器中装备有磁控管，该设备能够在2.45GHz的频率范围内稳定输出特定功率。

6.电场耦合式

采用两组非对称偶极子垂直排列形成的感应电场进行电力传输。通常，充电模块由两个非对称偶极子构成，这些偶极子由供电和接收部分的活性炭电极以及接地电极组合而成。无线供电模块正是利用这两个非对称偶极子之间的电场耦合产生的感应电场来实现供电的。

三、无线充电的运用之法

原理就介绍到这里，我们现在再来看看无线充电的应用领域。

WPC是规模最大的无线充电组织，其成员已超200家，包括诺基亚、HTC、LG、索尼、三星、高通等知名企业，以及近期加入的苹果公司（苹果采用的无线充电技术正是基于Qi标准）。2010年，WPC发布了Qi规范，该标准已成为应用最广泛的无线充电技术，其支持的产品种类超过1300种。原A4WP联盟的成员包括高通、三星、Duracell Powermat以及英特尔等知名企业；而PMA标准则获得了星巴克、谷歌和AT&T等大公司的背书。因此，这三大标准分别在各自的领域展现出各自的特色和优势。

令人感到欣慰的是，在最新的Qi 1.2标准中，不仅增加了对多设备充电的兼容性，还引入了磁共振技术，并将充电功率提升至2000W。根据Q1.2.2规范，所涉及的磁感应频率范围在87至205KHz之间。WPC主席对Qi最新标准的调整进行了说明，首先是为了给低功率产品提供更广阔的空间灵活性，尤其是纵向距离方面的自由度，其次则是为了提供更高的功率。因此，Qi标准持续致力于改进其不足之处，并不断努力，以期在更广泛的领域内更有效地促进无线充电技术的应用发展。

手机、电动牙刷等小型设备成为了无线充电技术的试验田，而电动汽车领域则成为商家们竞相争夺的焦点。

英国HaloIPT公司在伦敦运用其最新研发的感应式电能传输技术，成功地为电动汽车实现了无线充电。在展示环节，他们把电能接收装置安置在雪铁龙电动汽车的车身底部，使得电池能够借助无线充电系统完成充电过程。

三菱汽车展示了其无线充电技术，其供电距离可达20厘米，供电效率超过90%，且线圈间的最大允许错位量亦为20厘米。

电动汽车无线充电示意图

设想将供电线圈嵌入道路，以便在红灯停车及车辆行驶过程中为电动汽车提供充电服务，同时还有考虑将线圈嵌入轨道，为正在行驶的磁悬浮列车进行供电的创意。

在韩国首尔的某座游乐园中，一种新型的电车正在进行试运行。这种电车能够在铺设有电感应轨道的路面上实现“无线”充电，与传统的电车不同，它无需依赖路轨或头顶的电线来获取电力。

最后，让我们对无线充电在应用场景中的利弊进行一番梳理。无线充电在应用场景中的主要优势包括以下几点：

安全性高：该设计无通电接点，有效降低了触电风险。在植入式医疗设备领域，此设计允许在不损伤人体组织的前提下，对体内植入的医疗设备进行充电，无需电线穿越皮肤及体内其他组织，从而消除了感染的可能性。

便捷：充电过程无需电线直接连接，仅需将设备置于充电器附近即可完成。此外，磁共振无线充电技术还具备一器多用的特点，即便是在多个设备同时使用的情况下，也能避免使用多个充电器、节省多个电源插座空间、消除多条电线相互缠绕的困扰。

尽管方便，但是无线充电还存在以下几点不足：

充电效率不高：大多数充电器内部都配备了变压器，然而，无线充电系统中的变压器，由发射和接收线圈构成，其结构存在限制，导致能量传输和储存的效率在理论层面上略逊于传统充电器。如果电源先通过市电，再经过适配器（包括降压、整流、稳压）连接到无线充电器，这样的多次能量转换过程将进一步降低效率。

手机等接收设备普遍限制了电流输入的功率，这就导致了充电过程相对缓慢。

成本因素较高，因为充电器部分必须配备驱动线圈的电子线路，而用电设备部分则需配置实现电力转换的电子组件，同时两者都需使用线圈，并且还需包括满足FCC标准的高频滤波电路，故而整体成本相较于直接接触方式有所增加。

移动中无法进行充电：这种情况仅出现在可移动设备上，比如电动剃须刀在充电过程中便无法离开充电座；而且，若电动剃须刀的电池电量耗尽，便无法继续使用。相比之下，采用有线连接进行充电的传统设计则能够持续工作。

兼容性较差：由于各品牌无线充电设备缺乏统一标准，导致它们无法相互替换。然而，近年来开yun体育官网入口登录app，业界组织WPC着手推进标准化进程，因此有望实现标准的统一。尽管如此，随着Qi标准在2012年底被广泛应用于众多流行手机，现在提及“支持无线充电”通常意味着“支持Qi无线充电”，但关于未来的发展情况尚不明确。

电力转换过程中，电子设备运作时会产生一定的损耗，加之这些设备与充电接收器紧密相邻，导致用户在使用过程中明显感觉到高温。实际上，这种现象与传统有线充电时适配器发热的情况并无二致。近期，特斯拉无线设备公司推出的新产品已有效解决了这一难题，使得充电时的温度与有线充电相差无几。

电池使用周期较短：在采用传统有线充电方式时，设备会直接由充电器提供电源，并进入休息状态。然而，当采用无线充电技术时，设备不会让电池停止运作。无线充电先将电池充至一定电量，随后电池再次为设备供电，消耗部分电能。之后，充电器再将电能补充至电池。如此循环往复，电池持续处于工作状态，导致其使用寿命缩短。

尽管无线充电目前仅限于某些特定领域发挥作用，且在这些领域内仍存在诸多挑战，然而我们坚信，随着技术应用和标准的不断进步与优化，无线充电的应用范围和场景将逐步拓展。毕竟，对于患有强迫症的人来说，减少电线无疑是一种巨大的福音。

本篇文章的作者系毕业于中国科学院自动化研究所复杂系统国家重点实验室，专攻机器学习与计算机视觉领域，现任算法工程师。