科学范｜无线充电之路

电话、电灯、电脑、电冰箱，风驰电掣、电闪雷鸣、电光火石、电光朝露，不管是日常生活还是文学隐喻，电一直都是我们身边不可或缺的工具。如果追溯历史，第二次工业革命便是以电力的大规模应用为代表，电灯的发明为标志。

现代生活，电气设施为我们的生活带来了越来越多的便利，人们早已习惯了有电的生活。大到电脑、冰箱、空调、电车、动车，小到手电筒、电动牙刷、运动手环，一旦发生了“停电”或者“没电”，就有人大呼“发生事故”，这反映了人们对缺少“电”的焦虑。而在这个人人必备手机的时代，人们很大一部分的焦虑则是来自手机电量低于20%的提示音。

我们使用电的方式主要由两种，一种是来自直接对输送来的电量进行使用，而不是来自电量存储设备，例如电冰箱、空调这些电器；一种是来自电量存储设备（例如电池）的供电，如果电量存储设备的电量告罄，我们还需要对其进行充电，例如电动车、手机等。

随着用电器件的激增，越来越多的电线也让我们越来越烦躁，它们相互缠绕，纠缠不清，于是人们就开始想，既然以前的网线现在都升级成无线WIFI了，那么我们的电线供电是否也可以转成无线供电。其实，对于无线供电的探索在很早之前就已经开始了。

一、无线的探索之途

对于无线供电的探索，最先做出巨大贡献的一位人物便是在交流电领域闻名遐迩的美籍塞尔维亚裔科学家尼古拉·特斯拉。特斯拉在1891年发明特斯拉线圈，它是一种使用共振原理运作的变压器，主要用来生产高电压、低电流、高频率的交流电力。其实特斯拉线圈比较难以界定，因为特斯拉实验了大量的线圈配置。特斯拉利用这些线圈进行了如电气照明、萤光光谱、X射线、高频率的交流电流现象、电疗和无线电力等的实验，以便进行电力传输。

尼古拉·特斯拉

1891年7月30日，35岁的特斯拉加入美国国籍，同年在纽约第五大道建立了自己的实验室。在那里他用机电振荡器进行了机械共振实验，使周围的一些建筑物产生了共振。随着速度的增加，他用仪器测出了房子的共振频率。他还在纽约一些地方用无线电点亮了那里的电灯，为无线传输的可能性提供了证据。这也是无线供电开始被研究的重要节点。

1899年，特斯拉决定迁往可以让他有做高频高压实验的地方——科罗拉多州的斯普林斯，并开始在那儿进行研究。到达后不久他向记者说，他正在做将讯号从派克斯峰（附近的一座山）送到巴黎的无线传输实验，即特斯拉正在研究如何无线传输能量与电力。

通过几个月的研究，1900年，特斯拉决定在纽约长岛兴建一座进行跨大西洋无线电广播和无线电能传输实验的“特斯拉线圈”——沃登克里弗无线传输电能塔。特斯拉想基于这个塔为将来实现对全球无线设备进行无线供电的设想提供基础。

遗憾的是，1901年12月12日，马可尼完成了跨大西洋的无线电传送实验，由于马可尼赶在特斯拉之前成功完成了实验，摩根停止了对特斯拉实验的资助。1903年，特斯拉陷入了财政危机。1912年，沃登克里弗塔也被拆除。虽然这个实验失败了，但是特斯拉为无线供电提供的理论和实验基础，为将来的无线供电的实现提供了非常大的帮助。

沃登克里弗塔

现在让我们来到2007年。MIT有一个叫做WiTricity的实验项目小组，它由Marin Soljačić教授领导。这个研究小组的研究对象是磁耦合共振技术。2007年，Marin Soljačić教授和他的助手在距离2米的情况下成功实现了首次高效的非辐射功率转换，点亮一个60瓦的灯泡。能量转移效率高达40％。此次试验也被认为是第一次现代意义上的无线供电。

MIT无线输电实验

Soljačić教授在无线能量传输方面的实验和工作与20世纪早期特斯拉的工作相关，但也有显著差异：与特斯拉在科罗拉多州的远程无线能量传输不同，WiTricity小组只关注短距离传输，运用的是磁感应方式，而特斯拉运用的是磁共振方式。

后来受这个小组的启发，WiTricity公司成立。该公司主要研发无线输电技术，已经与汽车制造商奥迪、宝马、克莱斯勒、捷豹、日产和丰田合作。

2009年，WiTricity公司的新技术由CEO Eric Giler在牛津举办的TED大会上展出。这次大会上，其展示了对一台电视和三部手机进行同时无线供电。

二、无线的传输之道

无线供电的历史就介绍到这里，下面我就来看看这个过程到底是怎么完成的。上文提到，用电主要由两种方式，无线供电也是同样的道理，可以分为无线输电和无线充电，由于两者只是在电能使用方式上有差别，下面我们便以无线充电为例对无线供电原理进行介绍与讲解。

上面讲到，MIT成功完成了2米距离的无线电力传输实验。对于无线充电技术的标准化便成为了需求，而且一旦标准化，对于无线充电技术的大规模研发和使用也将起到重大的推动作用。

2009年1月，WiPower公司制定了磁共振A4WP标准，支持高达50W的功率传输，距离可达5厘米，功率传输频率为6.78MHz。

2010年7月，Wireless Power Consortium（WPC）制定磁感应Qi标准。制定了5W或更小的移动终端的标准。

2012年1月，IEEE发布磁感应PMA标准。

2015年9月，A4WP与PMA合并成AirFuel Alliance（AFA），推动统一无线充电标准。

至此，在无线充电领域便形成了两大标准体系，WPC的Qi标准，以及AFA的AirFuel Resonant（A4WP标准）和AirFuel Inductive（PMA标准）。

虽然是两大标准，但是在基本的原理上却有相似的部分。Qi标准与AirFuel Inductive标准相似程度很高，均使用磁感应技术，兼容性比较高；而AirFuel Resonant则与前两者完全不同，使用的是磁共振技术。因此我们不需要把WPC和AFA完全对立，因为无论充电器还是接收器在选择标准的时候，最先考虑的可能是使用磁感应还是磁共振技术。

无线充电技术分类

无线充电方式主要分为非放射性和放射性两大类型。其中放射性分为电波（微波）式和激光式，非放射性分为磁耦合式和电耦合式，现在主流方式是通过磁耦合式进行电力传输，磁耦合式则包含上面提到的电磁感应式与磁共振式两种方式。下面将主要介绍这两种方式，并简要介绍其他的无线充电方式。

不管是磁感应式是还是磁共振式，依靠的原理都是电磁感应。电磁感应是发电机、变压器等多数电力设备操作的基础。迈克尔·法拉第一般被认定为于1831年发现了感应现象的人。

电磁感应是指放在变化磁通量中的导体，会产生电动势。此电动势称为感应电动势或感生电动势，若将此导体闭合成一回路，则该电动势会驱使电子流动，形成感应电流（感生电流）。也就是我们通常所说的变化的磁场形成电场，可以简述为磁生电。磁生电的定量关系则由法拉第电磁感应定律给出。我们平时看到的交流电变压器也正是用的这个原理。变压器还用到了电流的磁效应，即电流周围会产生磁场，变化的电流产生变化的磁场，简述为电生磁。电生磁现象则是由丹麦物理学家、化学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特于1820年发现。

1.磁感应式无线充电

电磁感应示意图

上图则简单描述了这个过程。左边的线圈通变化的电流，变化的电流产生变化的磁场，中间铁圈则是为了锁磁（即减少漏磁），右边的线圈感受到变化的磁场，则产生了电流，右边的电流表则会有指针波动。这就是变压器的基本实现原理，两遍线圈匝数的不同则可以实现电压的转换。

现在我们把上面的铁圈去掉，把左右两边线圈拍扁压平，接收线圈放在手机背面，发射线圈连接电源，我们就得到了一个原始的无线充电装置。第一代的磁感应无线充电器便是这么来的。

我们将发射线圈以及接收线圈的电感分别设为L1、L2，两个线圈间的互感设为M，磁耦合程度以耦合系数k表示，则可成立以下公式：

两个线圈的电感与互感存在L1・L2≧M2的关系，为此耦合系数的数值在0≦k≦1的范围中。在没有漏磁通的理想情况下，耦合系数为1，这种情况称为全耦合，但实际情况中数值均在1以下，且线圈间的距离越大，漏磁通会越多，从而导致耦合系数下降，最终将会变为0。

磁感应式无线充电示意图

我们上文提到的MIT实验便是运用的磁感应式无线充电。磁感应无线充电的优点是，系统结构相对容易，系统成本相对便宜，可以小型化。但是缺点是磁感应式无线充电因为缺少了磁性材料的束缚，发射线圈的部分磁通就不会经过接收线圈，这称为耦合度低。所以在充电中，线圈之间需保持较近距离，这是因为线圈之间距离越大，部分磁通将会变为漏磁通而无法进行传输，从而导致两个线圈的磁耦合减弱。所以如果给手机充电，需要手机和无线充电器对齐贴紧。否则会遇到手机明明放在充电器上了，一觉醒来没有充进电的尴尬。

2.磁共振式无线充电

磁共振式无线充电示意图

磁共振式无线充电器则是用谐振器件（电感和电容）使发射端和接收端达到特定频率，从而产生磁场共振，进而传输能量，即发射侧与接收侧的谐振频率一致后进行电力输送的方式。这个原理与声音的共振原理相同。初中的时候我们都做过这样的实验，排列好振动频率相同的音叉，一个发声的话，其他的也会共振发声。同样，排列在磁场中的相同振动频率的线圈，也可用一个向另一个供电。

磁共振式无线充电概念图

通常我们使用的谐振器件是LC谐振电路，是包含一个电感（用字母L表示）和一个电容（用字母C表示）连接在一起的电路。振荡电路中发生电磁振荡时，如果没有能量损失，也不受其他外界的影响，这是电磁振荡的周期和频率，叫做振荡电路的固有频率和固有周期。固有周期可以用下式求得：

所以当送电线圈通上了电源，和送电线圈具有相同固有频率的受电线圈则会感应出电流，这样就实现了电能的传递。之前介绍的TED展示和法拉第的大部分试验，均是基于磁共振的无线充电。

这种方式的优点在于，可拉大线圈的对置距离，同时，即使线圈之间中心稍稍发生偏移的情况下也可进行电力传输，因此也可以用来同时为多台移动设备进行充电。但是缺点是系统结构相对困难，系统成本相对昂贵，而且难以小型化。

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。

（1）检测阶段：识别可供电设备及异物（FOD）。当接收器放置在发射器工作范围内，发射器检测是否是一个接收器靠近。

（2）通讯阶段：进行身份认证。发射器发送数据包，并且为接收器供电启动接收器，之后接收器回复响应数据完成身份的认证。

（3）充电阶段：进行电能传输。在身份认证后，发射器根据接收器的设备类型，选择相应的功率等参数，为接收器充电。

以Qi标准为例，整体流程如下：

Qi标准无线充电流程

需要说明的是，不管是磁感应式还是磁共振式，受电线圈感应出来的都是交流电，因为我们讲解的是无线充电，所以感应出来的交流电需要给电池这样的电能存储设备进行充电，充电则需要直流电，所以在受电装置中都会有整流和滤波电路，对交流电进行整流与滤波，经过处理后的电流便可以给电池充电了，以上便是无线充电的完整过程。

所以从以上的分析看来，不管是磁感应还是磁共振，都是既有各自的优点也有各自的缺陷，在可供电距离、系统结构难易度、系统成本、产品尺寸、同时充电台数、充电功率、频率、效率等方面并没有一个是可以完全满足我们在各个场景下都可以通用的要求，所以现在的无线充电还是处于一个比较尴尬的境地。

以上便是无线充电主要运用的两种方式，下面简要介绍其他的三种无线充电方式。

4.激光式

电源系统作为能量源，为激光器供电，将电能转化为激光能量；制冷系统的协同作用能够保证更高的能量转化效率。激光能量经过跟瞄系统之后，准确传输到光伏阵列上；光伏阵列将激光能量转化为电能，为电池充电，从而为发动机提供能量或者完成其它任务。

5.无线电波式

这是发展较为成熟的技术，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，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。此种方式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。整个传输系统包括微波源、发射天线、接收天线三部分；微波源内有磁控管，能控制源在2.45GHz频段输出一定的功率。

6.电场耦合式

利用通过沿垂直方向耦合两组非对称偶极子而产生的感应电场来传输电力。一般充电模块是由2个非对称偶极子按垂直方向排列而成的，这组偶极子各由供电部分和接收部分的活性炭电极和接地电极组成。无线供电模块就是通过这2个非对称偶极子的电场耦合而产生的感应电场来供电的。

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是目前最大的无线充电联盟，会员数量超过200家，其中有诺基亚、HTC、LG、索尼、三星、高通还有新近加入的苹果（苹果的无线充电技术运用的正是Qi标准）。它在2010年制定公布的Qi规范是目前应用范围最广的无线充电标准，支持的产品超过 1300余种。原A4WP的成员则有高通、三星、Duracell Powermat和英特尔等；PMA则得到了星巴克、Google和AT&T的支持。所以这三大标准正在不同的领域发挥着自己的作用和长处。

不过值得欣慰的是，在最新的Qi 1.2标准除了加入对多装置充电的支持，也纳入了磁共振技术，充电功率增加到2000W。Q1.2.2规范中，涉及的磁感应频率在87～205KHz。WPC主席解释了Qi最新标准的改动原因，一是给低功率的产品提供更大的空间自由度，主要是纵向距离，二是提供更大的功率。所以Qi标准在克服自身缺点，并为更好地推动无线充电在更广泛的场景下的应用一直在做着努力。

除了手机、电动牙刷这样的小器件是无线充电的试验场，电动汽车也是各个商家们争先抢占的领域。

英国HaloIPT公司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。在展示过程中，该公司将电能接收垫安装于雪铁龙电动汽车车身下侧，这样电池就可以通过无线充电系统进行无线充电。

三菱汽车展示供电距离为20cm，供电效率达90％以上，线圈之间最大允许错位为20cm的无线充电方案。

电动汽车无线充电示意图

还有将供电线圈埋入道路中，在红灯停车时和行驶中为电动汽车充电的构想，以及利用植入轨道中的线圈为行驶中的磁悬浮列车供电的设想。

韩国首尔一座游乐园内试运行一种新型电车。这种电车在铺有电感应条的路面上行驶时可“无线”充电，不像传统电车需通过路轨或头顶电线获得电力。

最后我们来总结下无线充电在应用领域的优缺点。无线充电在应用领域的主要优点有如下几个方面：

安全：无通电接点设计，可以避免触电的危险。在植入嵌入式医疗装置上，可以在不损害身体组织的情况下对植入在人体内的医疗装置进行充电而不需要有电线穿过皮肤及其他自体组织，免去感染的风险。

方便：充电时无需以电线连接，只要放到充电器附近即可。磁共振式无线充电还允许一个充电器可以对多个用电装置进行进电，在有多个用电装置的情况下可以省去多个充电器、不用占用多个电源插座、没有多条电线互相缠绕的麻烦。

尽管方便，但是无线充电还存在以下几点不足：

充电效率低：一般充电器内也有变压器，但无线充电以发射线圈及接收线圈组成的变压器由于在结构上有限制，所以能量存送效率理论上会略低于一般充电器。若电源先由市电经适配器（降压、整流、稳压）后再接到无线充电器，如此经多重转换，效率会更低。

充电速度慢：由于目前手机等接收设备，大多限制了输入的功率，因此充电速度较慢。

成本高：在充电器需要有推动线圈的电子线路，而在用电装置需要有电力转换的电子装置，两者也需要有线圈，而且需要高频滤波电路以满足FCC之规范，因此成本比直接接触为高。

不能在移动时充电：这个问题只在移动装置上发生，例如电动刮胡刀在充电时就不能移离充电器，若电动刮胡刀内的电池刚完全用尽时就不能使用，反而传统以电线连接充电的设计可以持续使用。

兼容性低：不同品牌的无线充电装置因为无统一标准，因此不能通换使用。但近年，业界组织WPC开始推行标准化，所以有望达至标准统一。不过随着Qi标准在2012年末广泛用于多种流行手机，所以现在基本上提到“支持无线充电”就是“支持Qi无线充电”，但是未来发展则未可知。

发热严重：由于电力转换的电子装置在工作时会有损耗，而且电子装置十分贴近被充电的接收设备，因此使用者会在使用中感受到很高的热量。其实这一点和传统线充使用的适配器发热是一致的。目前特斯拉无线设备公司的新产品解决了这一问题，使得充电时温度和线充基本一致。

电池寿命耗损高：使用一般的有线充电时，装置会让充电器直接供给电源给装置，并让装置得到休息。而在使用无线充电时，装置并不会让电池停止工作。无线充电把电池充饱一部分后，电池又供给电源给装置，消耗掉部分电力后，充电器再把电力充进电池内。一来一往，让电池不断处在被使用的状态，造成电池寿命的耗损。

尽管无线充电目前还是只在一些特定的领域发挥着作用，而且即使在各自的领域也面临着一些问题，但是我们相信，随着应用技术的发展与标准的完善，无线充电的运用领域与场景也会越来越广阔，毕竟少一些电线对于强迫症来说真是太大的福音了。

（本文作者系中科院自动化所复杂系统国家重点实验室研究生毕业，机器学习与计算机视觉方向算法工程师。）