無(wú)線充電技術(shù)應(yīng)用前景分析

武飛陽(yáng)

摘要：無(wú)線充電技術(shù)的誕生開(kāi)啟了電力傳輸?shù)男录o(jì)元，本文詳細(xì)闡述了無(wú)線充電技術(shù)的概念，原理、特點(diǎn)，并針對(duì)無(wú)線充電技術(shù)的特殊應(yīng)用前景進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：無(wú)線充電技術(shù)；應(yīng)用前景；分析

在十九世紀(jì)三十年代，法拉第通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。所謂的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，就是指通過(guò)磁通量的變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而產(chǎn)生電流。這也是無(wú)線充電技術(shù)研究的開(kāi)端。無(wú)線充電技術(shù)思想最早產(chǎn)生于十九世紀(jì)九十年代的特斯拉，所以，特斯拉被后人尊稱為“無(wú)線電能傳輸之父”。特斯拉是想將地球作為內(nèi)導(dǎo)體，然后將地球電離層作為外導(dǎo)體，進(jìn)而通過(guò)電磁波震蕩的模式，在地球和地球電離層之間實(shí)現(xiàn)低頻共振，再借助地球表面進(jìn)行能量的傳輸。但是，這一思想轉(zhuǎn)變成現(xiàn)實(shí)，需要消耗大量的財(cái)力。在當(dāng)時(shí)的社會(huì)背景下，由于財(cái)力的限制，特斯拉的這一大膽構(gòu)想并未實(shí)現(xiàn)。到二十一世紀(jì)之后，隨著各類便攜式電子產(chǎn)品的出現(xiàn)，無(wú)線充電技術(shù)又重現(xiàn)成為研究的熱點(diǎn)。本文將對(duì)無(wú)線充電技術(shù)的研究以及特殊應(yīng)用前景進(jìn)行詳細(xì)的闡述和介紹。

一、無(wú)線充電技術(shù)的概述

無(wú)線充電技術(shù)，即Wireless Charging Technology，是指具有電池的裝置不需要借助于電導(dǎo)線，利用電磁波感應(yīng)原理或者其他相關(guān)的交流感應(yīng)技術(shù)，在發(fā)送端和接收端用相應(yīng)的設(shè)備來(lái)發(fā)送和接收產(chǎn)生感應(yīng)的交流信號(hào)來(lái)進(jìn)行充電的一項(xiàng)技術(shù)，源于無(wú)線電力輸送技術(shù)。

無(wú)線充電技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)成為非常流行的一個(gè)前沿技術(shù)，讓我們可能擺脫連接線束縛，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地?zé)o線充電。無(wú)線充電技術(shù)的提出能夠很好地解決有線充電帶來(lái)的不足，利用無(wú)線磁電感應(yīng)充電的設(shè)備可做到隱形、設(shè)備磨損率低、應(yīng)用范圍廣、公共充電區(qū)域面積相對(duì)的減小、技術(shù)含量高以及操作方便等等。無(wú)線充電技術(shù)首先出現(xiàn)在低功率的電子產(chǎn)品上，隨著技術(shù)的成熟以及產(chǎn)品的市場(chǎng)化，未來(lái)幾年，無(wú)線充電技術(shù)將在我們的生活中普及并逐漸取代各種各樣數(shù)碼產(chǎn)品的充電器。

二、無(wú)線充電的技術(shù)原理

實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電技術(shù)的最基本原理就是電磁轉(zhuǎn)換，如圖1所示。無(wú)線充電技術(shù)是利用磁共振、電磁感應(yīng)線圈、無(wú)線電波等方式，在充電器與設(shè)備之間的空氣中傳輸電荷，實(shí)現(xiàn)電能高效傳輸?shù)募夹g(shù)。無(wú)線充電的方式有四種：電磁感應(yīng)式，電磁共振式，無(wú)線電波式，電場(chǎng)耦合式。

（1）電磁感應(yīng)式利用線圈產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)使待充電設(shè)備中的線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流以達(dá)到充電目的的，該方法通常采用兩種磁線圈，一個(gè)主線圈內(nèi)建于充電基座提供交流電磁場(chǎng)；另一個(gè)線圈則內(nèi)建于待充電裝置中，能將電磁場(chǎng)的能量轉(zhuǎn)換為為電池充電。簡(jiǎn)單說(shuō)就是：電生磁，磁生電。此方法的優(yōu)點(diǎn)是短距離充電時(shí)有較高的效率，缺點(diǎn)是需要正確擺放線圈才能達(dá)到較為理想的效果，并且金屬感應(yīng)接觸也存在發(fā)熱的問(wèn)題。

（2）磁場(chǎng)共振式依賴相同共振頻率的松散耦合線圈來(lái)傳輸電力，一個(gè)負(fù)載電荷的板與線圈的某一端相接，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)共振頻率，當(dāng)遇到共振頻率相同的接收端時(shí)，就可以利用共振效應(yīng)傳輸電能。該方法適合較大功率輸電，并且輸電距離也上升到了數(shù)米，其缺點(diǎn)是存在著輸電效率一般和健康、安全方面的問(wèn)題。

（3）無(wú)線電波式利用環(huán)境電磁波轉(zhuǎn)化成為電流。此方法的充電效率較為低下，但充電距離已可以達(dá)到10米以上，在小功率遠(yuǎn)距離輸電中有著良好的前景，但由于其傳輸功率低下，充電時(shí)間將會(huì)比以上兩種方案更長(zhǎng)。

（4）電場(chǎng)耦合式通過(guò)耦合兩組非對(duì)稱偶極子產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)來(lái)傳輸電力，此方法傳輸效率較高且發(fā)熱較低，并且存在可移動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，但仍有充電距離較短和充電設(shè)備體積較大的問(wèn)題。

目前，小功率無(wú)線充電常采用電磁感應(yīng)式，大功率無(wú)線充電主要采用磁場(chǎng)共振式（大部分電動(dòng)汽車充電采用此方式）。

三、無(wú)線充電技術(shù)的充電標(biāo)準(zhǔn)

無(wú)線充電技術(shù)只需用一個(gè)發(fā)射端，就可以同時(shí)給多個(gè)移動(dòng)設(shè)備充電，這樣就可以制定統(tǒng)一的充電標(biāo)準(zhǔn)，也可以為所有符合這一標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備進(jìn)行充電。無(wú)線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，目前主流的無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)有三種：Qi標(biāo)準(zhǔn)，PMA（Power Matters Alliance）標(biāo)準(zhǔn)，以及A4WP（Alliance For Wireless Power）標(biāo)準(zhǔn)。

四、無(wú)線充電技術(shù)的特殊應(yīng)用前景

（1）醫(yī)用植入設(shè)備

醫(yī)療植入式裝置在疾病治療中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。膠囊內(nèi)窺鏡、植入式醫(yī)用膠囊可以窺探人體消化道或腸道的潰瘍、異常的增長(zhǎng)以及出血等健康狀況，幫助醫(yī)生對(duì)病人進(jìn)行診斷；心臟起搏器可在必要時(shí)候用電信號(hào)激活心臟復(fù)蘇與維持正常。但醫(yī)用植入設(shè)備的供電電池容量是一定的，一般可供使用幾年，如電池耗完，則需要手術(shù)更換植入設(shè)備。目前，心臟起搏器植入人體之后，8-10年左右就需要更換電池。也就是說(shuō)，安裝了心臟起搏器的患者，每隔8-10年就需要再動(dòng)一次手術(shù)來(lái)更換起搏器的電池。如果病人體內(nèi)的醫(yī)用植入設(shè)備可以進(jìn)行充電，就不用再通過(guò)手術(shù)來(lái)更換電池，一次手術(shù)即可解決問(wèn)題，不會(huì)有多次手術(shù)引起的手術(shù)失敗、胸腔感染等風(fēng)險(xiǎn)。

（2）電動(dòng)汽車

電動(dòng)汽車可以很好地解決機(jī)動(dòng)車污染排放和能源短缺問(wèn)題，因此受到了很多國(guó)家和政府的鼓勵(lì)，許多汽車廠商也投入到了電動(dòng)汽車的研發(fā)和生產(chǎn)當(dāng)中。目前電動(dòng)汽車的充電方式有接觸式和非接觸式兩種。

①接觸式充電：充電效率高但存在電壓高，電流大，使用過(guò)程接觸點(diǎn)磨損，且不能在雨水環(huán)境充電等問(wèn)題。

②無(wú)線充電是電動(dòng)汽車相當(dāng)重要的能源補(bǔ)充方式，它也叫無(wú)接觸式充電，主要利用無(wú)線電能傳輸技術(shù)，其中以感應(yīng)式無(wú)線輸電和諧振式無(wú)線電能傳輸為主。具有使用方便、安全、可靠，沒(méi)有電火花和觸電的危險(xiǎn)，無(wú)接觸損耗、沒(méi)有相應(yīng)的維護(hù)問(wèn)題，可以適應(yīng)雨雪等惡劣的天氣和環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。此外，如果可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的動(dòng)態(tài)無(wú)線充電，則可以大幅減少電動(dòng)汽車配備的動(dòng)力電池容量，從而減輕車體重量，降低電動(dòng)汽車的運(yùn)行成本。

③防水密封電子產(chǎn)品

便攜式的移動(dòng)產(chǎn)品，都要不定期地進(jìn)行充電，因此設(shè)備表面不得不留下各種插口和連接電纜，這就很難實(shí)現(xiàn)良好的防水密封工藝。而如果設(shè)備采用無(wú)線充電，設(shè)備外殼上就不需要有任何金屬接點(diǎn)或者開(kāi)口，可以有效增強(qiáng)電子產(chǎn)品的防水性，易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的防水和密封。如最早出現(xiàn)的采用無(wú)線充電的電動(dòng)牙刷，解決了潮濕環(huán)境下的用電安全問(wèn)題。很多特殊的產(chǎn)品，在特殊的運(yùn)用場(chǎng)合和環(huán)境下，如水下工作的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，需要密封和防水，不希望在產(chǎn)品外殼上留下任何插孔（充電口，開(kāi)關(guān)機(jī)鍵，顯示燈等），在一些設(shè)備上，如能采用無(wú)線充電就能有效的解決其對(duì)密封性和防水的要求。

隨著科技的發(fā)展，無(wú)線充電技術(shù)已開(kāi)始走進(jìn)大眾的生活，讓人們拜托繁瑣的有線充電設(shè)備。同時(shí)，隨著無(wú)線充電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，也為許多特殊設(shè)備帶來(lái)了應(yīng)用的可能性和發(fā)展空間。無(wú)線充電技術(shù)將對(duì)未來(lái)電子設(shè)備的發(fā)展，以及新能源汽車的普及和產(chǎn)業(yè)化起到至關(guān)重要的作用。盡管目前無(wú)線充電技術(shù)還存在充電效率不高、技術(shù)不成熟、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等問(wèn)題，但無(wú)線充電技術(shù)代表著未來(lái)的發(fā)展方向，就像前些年的有線電話和時(shí)下的移動(dòng)電話，固定網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線Wi-Fi，從性能上講有線比無(wú)線強(qiáng)大，但是從普及性和實(shí)用性方面看，無(wú)線技術(shù)當(dāng)仁不讓地占據(jù)了主流地位。因此，有理由相信在不久的未來(lái)，隨著無(wú)線充電技術(shù)的進(jìn)步，其會(huì)進(jìn)一步造福大眾生活。

（作者單位：成都樹(shù)德中學(xué)光華校區(qū)）