作者簡(jiǎn)介

本文是第二屆電力電子科普征文大賽的獲獎(jiǎng)作品，來自香港科技大學(xué)劉昶的投稿。

在電子產(chǎn)品深刻改變?nèi)祟惿a(chǎn)生活方式的今天，大家對(duì)于無線充電技術(shù)早已不陌生，日?？梢越佑|到的消費(fèi)類電子產(chǎn)品諸如手機(jī)、電動(dòng)牙刷都可以使用，但你有沒有想過為什么這項(xiàng)技術(shù)現(xiàn)在才開始流行，它背后有哪些原理與奇妙的現(xiàn)象，已經(jīng)被用在了哪些你可能不太熟悉的場(chǎng)景，未來又會(huì)怎樣改變我們的生活呢？本文就來一一道來。

01

什么是無線電能傳輸技術(shù)

顧名思義，無線電能傳輸（Wireless Power Transfer）就是不依賴線纜將能量從發(fā)射端傳遞到接收端，廣義上來講許多物理機(jī)制下的能量載體都可以用來完成該技術(shù)，超聲波、激光、微波等等，但它們都不是今天故事的主角，在成本、安全性、傳輸距離多種因素的考慮下，日常應(yīng)用場(chǎng)景下人們選擇了低頻電磁波（幾十kHz到幾百kHz）的形式來完成能量的傳輸。而建立磁場(chǎng)最簡(jiǎn)單的方式就是繞制線圈，建立電場(chǎng)則是用金屬平板，然而金屬平板以空氣為介質(zhì)形成的電容大小比較敏感，參數(shù)并不穩(wěn)定，同時(shí)制造過程中可能遇到難以實(shí)現(xiàn)器件間絕緣等問題，我們遇到的就是用線圈傳遞能量的方案了。而由于線圈間是通過磁場(chǎng)作用，也就是法拉第電磁感應(yīng)定律作用，這種能量傳遞方式又被稱為感應(yīng)式無線電能傳輸。

圖1. 手機(jī)無線充電示意圖（左）和磁共振式無線電能傳輸電路模型圖

其實(shí)感應(yīng)式無線電能傳輸可以理解為把變壓器中的磁芯拿掉了，降低了互感（互感越大，原邊流過一定電流時(shí)副邊能感應(yīng)到的電壓越大）時(shí)的工作狀態(tài)，如果兩個(gè)線圈離得比較近，該方法也能達(dá)到不錯(cuò)的效率。但是為了傳輸更大功率或更遠(yuǎn)距離，人們提出了磁共振式無線電能傳輸技術(shù)，其實(shí)原理很簡(jiǎn)單，既然互感大大降低了，那就存在自感使得系統(tǒng)中無功功率太大，那我們使用電容將這多余的無功進(jìn)行補(bǔ)償，此時(shí)如果工作頻率和原副邊電路中電容電感諧振頻率相同就可以大大提升傳輸效率！其實(shí)這種方法和特斯拉線圈是一個(gè)原理，不同之處在于我們往往使用功率半導(dǎo)體來實(shí)現(xiàn)電路的通斷進(jìn)而產(chǎn)生合適頻率的交流輸入，而特斯拉則利用空氣擊穿與否來導(dǎo)通關(guān)斷電路，另外其副邊的回路是通過環(huán)狀電極對(duì)地電容形成的。

圖2. 特斯拉線圈電路模型（左）和放電效果圖

你可能會(huì)好奇，既然只是利用低頻的電磁場(chǎng)來傳遞能量，那為什么到2010年之后該技術(shù)才逐漸流行起來呢？我覺得可能有以下幾個(gè)原因：一是半導(dǎo)體技術(shù)的限制，盡管磁共振式無線電能傳輸在一百多年前就被發(fā)現(xiàn)，但是特斯拉線圈外有火花，既不可控也不安全，這是沒有半導(dǎo)體器件做電子開關(guān)導(dǎo)致的技術(shù)方案，而從上世紀(jì)80年代以來，功率半導(dǎo)體技術(shù)突飛猛進(jìn)，才可以用逆變器實(shí)現(xiàn)可控的交流源輸入；二是移動(dòng)設(shè)備的供電需求，在iPhone問世后，大家對(duì)各類移動(dòng)電子設(shè)備的依賴加強(qiáng)，而電池?zé)o法滿足長時(shí)間的工作，反復(fù)插拔是不太簡(jiǎn)潔與優(yōu)雅的充電方式，因此人們有了這樣的需求；第三是電池技術(shù)的進(jìn)步，早在1961年美國通用電氣公司就推出了電動(dòng)牙刷這類產(chǎn)品，但是由于安裝的是鎳鉻電池，壽命短，體積大，因此沒有流行起來。

02

應(yīng)用領(lǐng)域

手機(jī)無線充電

基于磁共振無線電能傳輸技術(shù)你可以輕松地將手機(jī)放在充電墊上，而不需要插拔充電線。在該領(lǐng)域中，Qi（發(fā)音為“氣”）標(biāo)準(zhǔn)是目前最為流行和普及的一種標(biāo)準(zhǔn)。Qi標(biāo)準(zhǔn)由Wireless Power Consortium（無線電力聯(lián)盟）制定，它確保了不同品牌和型號(hào)的設(shè)備都可以兼容使用相同的充電墊。這意味著，你可以使用一個(gè)Qi兼容的充電墊來給你的手機(jī)或其他Qi兼容設(shè)備充電，而不需要擔(dān)心兼容性問題。目前支持Qi協(xié)議的常見手機(jī)廠商有，蘋果、三星、小米、華為等，其中小米和華為也推出了功率更高的私有無線充電協(xié)議。而且，越來越多的汽車也開始配備無線充電功能，讓你在行車途中也能隨時(shí)為手機(jī)充電。

感應(yīng)加熱技術(shù)

感應(yīng)加熱是一種利用電磁感應(yīng)原理來產(chǎn)生熱量的方法。它通過將交流電流通過一個(gè)導(dǎo)體（通常是銅或鋁等高導(dǎo)電率材料制成的線圈），從而在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)。當(dāng)這個(gè)變化的磁場(chǎng)穿過鄰近的導(dǎo)磁材料（如鐵、鋼等）時(shí)，會(huì)在其中產(chǎn)生渦流。由于金屬內(nèi)部存在電阻，這些渦流流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，從而達(dá)到加熱的目的。在該領(lǐng)域能量傳輸?shù)慕邮斩俗優(yōu)榱隋侒w，可以使用單純的感應(yīng)式無線電能傳輸，也可以利用磁諧振式來提高效率和抗偏移性。感應(yīng)爐灶是感應(yīng)加熱技術(shù)的一個(gè)典型應(yīng)用。在感應(yīng)爐灶中，線圈中通過高頻交流電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)放置鐵質(zhì)炊具在爐面上時(shí)，炊具底部的金屬材料就會(huì)產(chǎn)生渦流并迅速發(fā)熱，進(jìn)而加熱炊具內(nèi)的食物。感應(yīng)爐灶響應(yīng)快，熱效率高，且易于清潔，因?yàn)橹挥写毒叩牡撞恐苯颖患訜?，爐面本身并不發(fā)熱。

圖3. 磁諧振式無線電能傳輸用于感應(yīng)加熱示意圖（左）和博世感應(yīng)爐灶（右）

電動(dòng)汽車無線充電

電動(dòng)汽車在我國已經(jīng)越來越常見，其替代傳統(tǒng)燃油車也是我國能源轉(zhuǎn)型，雙碳目標(biāo)的重要一環(huán)，然而目前電動(dòng)汽車的電池占據(jù)車身很大一部分空間、重量與成本，對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行無線充電則提供了另一種簡(jiǎn)潔高效的供能方式。例如自動(dòng)泊車和無線充電相結(jié)合，不需要手動(dòng)插拔充電槍，這大大提高了充電場(chǎng)所在天氣惡劣時(shí)的安全性；又比如在城市中的交叉路口或其他停車位增設(shè)無線充電功能，可以降低有線充電的次數(shù)，延長城市中的續(xù)航。

圖4. BMW 530e iPerformance無線充電前停車影像（左）以及充電示意圖

目前，已有一些汽車制造商在部分車型中使用了無線充電技術(shù)。例如寶馬在其 530e iPerformance中配置了BMW Wireless Charging，這是第一款配備該技術(shù)的量產(chǎn)車型；奧迪部分混動(dòng)車型如A8L e-Tron也支持無線充電，其過程如圖5所示；沃爾沃將為瑞典地區(qū)的XC40純電版本提供無線充電服務(wù)；特斯拉與國內(nèi)廠商智己也將在未來的車型中使用該技術(shù)。目前研發(fā)電動(dòng)汽車無線充電時(shí)間最長的商業(yè)公司是Witricity，其成熟方案可以在22kW功率傳輸下，效率達(dá)到92%以上.

03

發(fā)展與挑戰(zhàn)

從發(fā)展前景看，隨著科技的不斷進(jìn)步，無線電能傳輸技術(shù)的效率和穩(wěn)定性不斷提高，使得其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用得以擴(kuò)展和深化。它將不僅僅局限于手機(jī)充電和家用電器，還在電動(dòng)汽車、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人等領(lǐng)域得到應(yīng)用，為各行各業(yè)帶來了更大的便利。除此之外，諸如Qi標(biāo)準(zhǔn)等的制定和推廣，有助于統(tǒng)一無線充電技術(shù)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，提升了設(shè)備的兼容性，推動(dòng)了技術(shù)的普及和應(yīng)用。

然而不可否認(rèn)目前無線電能傳輸技術(shù)還存在以下挑戰(zhàn)，一是能量傳輸效率相對(duì)有線傳輸還有一定的差距，特別是在遠(yuǎn)距離傳輸和大功率傳輸方面，還存在一定的挑戰(zhàn)。二是該技術(shù)涉及到電磁輻射和電磁波的傳輸，可能對(duì)人體健康和周圍電子設(shè)備造成干擾，因此需要更加嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)管措施。三是無線電能傳輸技術(shù)的設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本較高，而且商業(yè)模式和盈利模式尚未完全成熟，需要進(jìn)一步探索和完善。四是盡管已經(jīng)出現(xiàn)了一些標(biāo)準(zhǔn)，但行業(yè)內(nèi)仍存在著多種不同的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，這對(duì)于技術(shù)的推廣和市場(chǎng)化造成了一定的阻礙。

綜合而言，無線電能傳輸技術(shù)作為一項(xiàng)前沿的科技，發(fā)展的機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。只有充分發(fā)揮技術(shù)創(chuàng)新的優(yōu)勢(shì)，積極應(yīng)對(duì)各種挑戰(zhàn)，才能推動(dòng)該技術(shù)持續(xù)健康地發(fā)展，并為人類社會(huì)帶來更多的便利和進(jìn)步。