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)的研究，源于19世紀(jì)30年代，邁克爾-法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，即磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而在電線中產(chǎn)生電流。但最早的無(wú)線電力傳輸思想是尼古拉-特斯拉（Nikola Tesla） 在19世紀(jì)90年代提出的無(wú)線電力傳輸構(gòu)想和無(wú)線輸電試驗(yàn)，因而有人稱之為無(wú)線電能傳輸之父。
技術(shù)原理
從具體的技術(shù)原理及解決方案來(lái)說(shuō)，目前無(wú)線充電技術(shù)主要有電磁感應(yīng)式、磁共振式、無(wú)線電波式、電場(chǎng)耦合式四種基本方式。這幾種技術(shù)分別適用于近程、中短程與遠(yuǎn)程電力傳送。
各種無(wú)線充電方式都有各自的特點(diǎn)，具體比較如表1所示。
表1 無(wú)線充電各種原理方案的比較
當(dāng)前最成熟、最普遍的是電磁感應(yīng)式。其根本原理是利用電磁感應(yīng)原理，類似于變壓器，在發(fā)送端和接收端各有一個(gè)線圈，初級(jí)線圈上通一定頻率的交流電，由于電磁感應(yīng)在次級(jí)線圈中產(chǎn)生一定的電流，從而將能量從傳輸端轉(zhuǎn)移到接收端，如圖1所示。PWC聯(lián)盟發(fā)起者Powermat公司用電磁感應(yīng)式推出過(guò)一款WiCC充電卡，與SD卡差不多大，內(nèi)部嵌有線圈和電極等組件，插入現(xiàn)有智能手機(jī)電池旁邊即可使用。
圖1 電磁感應(yīng)式無(wú)線充電原理
磁共振式無(wú)線充電#e#
磁共振式也稱為近場(chǎng)諧振式，由能量發(fā)送裝置，和能量接收裝置組成，當(dāng)兩個(gè)裝置調(diào)整到相同頻率，或者說(shuō)在一個(gè)特定的頻率上共振，它們就可以交換彼此的能量，其原理與聲音的共振原理相同，排列在磁場(chǎng)中的相同振動(dòng)頻率的線圈，可從一個(gè)向另一個(gè)供電，如圖2。技術(shù)難點(diǎn)是小型化和高效率化，被認(rèn)為是將來(lái)最有希望廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車無(wú)線充電的一種方式。
圖2 磁共振式無(wú)線充電示意圖
無(wú)線電波式，基本原理類似于早期使用的礦石收音機(jī)，主要有微波發(fā)射裝置和微波接收裝置組成。典型的是20世紀(jì)60年代布朗（William C. Brown）的微波輸電系統(tǒng)，其示意圖如圖3。整個(gè)傳輸系統(tǒng)包括微波源、發(fā)射天線、接收天線3部分;微波源內(nèi)有磁控管，能控制源在2. 45 GHz頻段輸出一定的功率;發(fā)射天線是64個(gè)縫隙的天線陣，接收天線擁有25%的收集和轉(zhuǎn)換效率。日本龍谷大學(xué)的移動(dòng)式無(wú)線充電系統(tǒng)，也是通過(guò)頻率為2.45GHz 的微波送電，點(diǎn)亮了行駛中的模型警車的警燈。
圖3 無(wú)線電波式電能傳輸
電場(chǎng)耦合式利用通過(guò)沿垂直方向耦合的兩組非對(duì)稱偶極子而產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)來(lái)傳輸電能，其基本原理是通過(guò)電場(chǎng)將電能從發(fā)送端轉(zhuǎn)移到接收端。這種方式主要是村田制作所采用，具有抗水平錯(cuò)位能力較強(qiáng)的特點(diǎn)。
無(wú)線充電已經(jīng)在電動(dòng)牙刷、電動(dòng)剃須刀、無(wú)線電話等部分家電產(chǎn)品中實(shí)用化，現(xiàn)在其應(yīng)用范圍又?jǐn)U大到了智能手機(jī)領(lǐng)域。
NTT DoCoMo在2011年夏季以后陸續(xù)上市了多款支持無(wú)線充電的智能手機(jī)和充電座。這些手機(jī)無(wú)需在手機(jī)上插上充電線纜，只需放置在充電座上即可為電池充電。今后NTT DoCoMo將在電影院、餐廳、酒店、機(jī)場(chǎng)休息室等公共場(chǎng)所設(shè)置充電座，便于用戶在外出時(shí)使用。
軟銀移動(dòng)也預(yù)定2012年1月上市支持無(wú)線充電的智能手機(jī)。KDDI正在開發(fā)車載式智能手機(jī)的無(wú)線充電座。
未來(lái)無(wú)線充電的應(yīng)用范圍將有望擴(kuò)大到EV的充電系統(tǒng)。
目前，市場(chǎng)上支持無(wú)線充電的智能手機(jī)和充電器大部分都符合總部位于美國(guó)的業(yè)界團(tuán)體“無(wú)線充電聯(lián)盟（WPC）”所制定的“Qi”規(guī)格。Qi源自漢語(yǔ)“氣功”中的“氣”，以松下、韓國(guó)三星電子、英國(guó)索尼愛立信、芬蘭諾基亞、電裝為首，許多國(guó)家的家電廠商和汽車廠商都相繼加盟了WPC。
無(wú)線充電方式包括“磁共振”及“電波接收”等多種方式，Qi采用的是“電磁感應(yīng)方式”。通過(guò)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，只要是帶有Qi標(biāo)志的產(chǎn)品，無(wú)論是哪家廠商的哪款機(jī)型均可充電。
19世紀(jì)發(fā)現(xiàn)的物理現(xiàn)象
電磁感應(yīng)方式采用了19世紀(jì)上半期發(fā)現(xiàn)的物理現(xiàn)象。眾所周知，電流流過(guò)線圈時(shí)，周圍會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。1820年，丹麥物理學(xué)家漢斯·奧斯特（Hans Oersted）發(fā)現(xiàn)了這種電磁效應(yīng)。
用沒有通電的其他線圈接近該磁場(chǎng)，線圈中就會(huì)產(chǎn)生電流，由此點(diǎn)亮燈泡。1831年，英國(guó)物理學(xué)家邁克爾·法拉第（Michael Faraday）發(fā)現(xiàn)了這個(gè)可從線圈向線圈供電的物理現(xiàn)象，并稱之為電磁感應(yīng)現(xiàn)象。
無(wú)線充電使用的充電座和終端分別內(nèi)置了線圈，使二者靠近便開始從充電座向終端供電。為提高供電效率，需要使線圈之間的位置對(duì)齊，不產(chǎn)生偏移。因此，各廠商在位置定位方法方面紛紛開動(dòng)腦筋。
從事智能手機(jī)外設(shè)業(yè)務(wù)的日本Oar公司于2011年8月推出了名為“無(wú)線充電板”的充電座。內(nèi)置有磁鐵，用于將終端吸引到指定位置。
松下于2011年6月投放了無(wú)線充電座“無(wú)接點(diǎn)充電板”。尺寸約為鼠標(biāo)墊大小，表示實(shí)現(xiàn)了“位置自由（Free Positioning）”，將終端放在充電板上的任何位置均可充電。
充電座內(nèi)部的線圈帶有驅(qū)動(dòng)裝置，可在平面中移動(dòng)。通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)終端放置位置，并移動(dòng)至該位置，使線圈的位置相一致。
該充電座的開發(fā)人員、松下集團(tuán)三洋電機(jī)能源設(shè)備公司（SANYO Electric Energy Devices Company）充電系統(tǒng)事業(yè)部長(zhǎng)佐野正人就位置自由實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的理由解釋說(shuō)，“用戶希望能更便利地充電”。
日立麥克賽爾于2011年4月面向美國(guó)蘋果的人氣智能手機(jī)“iPhone”上市了無(wú)線充電器“AIR VOLTAGE”。由于iPhone不支持無(wú)線充電，所以需要套上內(nèi)置有線圈的專用外殼才能使用。
電場(chǎng)耦合方式不使用線圈
另外，麥克賽爾的充電座有為一部終端充電和為兩部終端充電的款式。兩部款的尺寸為鼠標(biāo)墊大小，可在左右各放置一部終端。內(nèi)部排列了14個(gè)線圈，左右各7個(gè)，用這些線圈覆蓋了充電座的廣大范圍。由此，終端可以比較自由地放置在充電座上。在7個(gè)線圈中可最多自動(dòng)選擇3個(gè)能高效傳輸?shù)木�圈來(lái)供電。
日立麥克賽爾2011年11月還面向“iPad2”上市了無(wú)線充電器“AIR VOLTAGEfor iPad2”。該充電器未采用Qi規(guī)格，而是全球首次采用了“電場(chǎng)耦合方式”。
電場(chǎng)耦合方式不使用線圈，而是在供電側(cè)和受電側(cè)設(shè)置電極，利用二者之間產(chǎn)生的電場(chǎng)供電。為iPad2套上內(nèi)置有受電用電極的專用外殼來(lái)充電。
電場(chǎng)耦合方式的特點(diǎn)是，輸出功率比Qi大，即使電極之間的位置稍有偏移也可維持高傳輸效率。模塊由村田制作所開發(fā)。
EV的無(wú)線充電方面，采用磁共振方式的汽車廠商比較多。
磁共振方式由美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）物理學(xué)家馬林·索爾賈�？耍∕arin Soljacic）于2007年進(jìn)行了驗(yàn)證，自此受到了廣泛關(guān)注。
磁共振方式的原理與聲音的共振原理相同。排列好振動(dòng)頻率相同的音叉，一個(gè)發(fā)聲的話，其他的也會(huì)共振發(fā)聲。同樣，排列在磁場(chǎng)中的相同振動(dòng)頻率的線圈，也可從一個(gè)向另一個(gè)供電。
利用共振還可延長(zhǎng)傳輸距離。電磁感應(yīng)方式的供電距離最大為數(shù)mm～10cm左右，而磁共振方式如果線圈夠大，可向數(shù)m遠(yuǎn)以外供電。
汽車的車底到地面一般有15cm左右的距離。如果在車底安裝受電線圈，在自家停車場(chǎng)的地面埋入供電線圈，便可在停車時(shí)充電。能夠省去連接充電線纜的麻煩。
另外，磁共振方式不同于電磁感應(yīng)方式，無(wú)需使線圈間的位置完全吻合。即使停車位置與固定位置稍微錯(cuò)開，線圈之間也會(huì)共振。
還將用于磁懸浮
三菱汽車2011年9月與美國(guó)風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)WiTricity和IHI就共同開發(fā)磁共振方式無(wú)線充電系統(tǒng)達(dá)成了一致。在2011年12月上旬于東京有明國(guó)際展示場(chǎng)（東京有明國(guó)際會(huì)展中心）舉行的東京車展上，展示了該無(wú)線充電系統(tǒng)。
供電距離為20cm，供電效率達(dá)90％以上。線圈之間最大允許錯(cuò)位為20cm。如果后輪靠在車擋上停車，基本能停在容許范圍內(nèi)。隨著研究的推進(jìn)，將來(lái)或許能進(jìn)一步擴(kuò)大容許范圍。
豐田也于2011年4月與WiTricity公司就磁共振方式展開了技術(shù)合作，并在東京車展上展示了用于電動(dòng)三輪踏板摩托車和四輪汽車的無(wú)線充電系統(tǒng)。
另外，還有將供電線圈埋入道路中，在紅燈停車時(shí)和行駛中為電動(dòng)汽車充電的構(gòu)想，以及利用植入軌道中的線圈為行駛中的磁懸浮列車供電的設(shè)想。
除此之外，在家中的家具、地板和墻壁等中埋入線圈的研究也在推進(jìn)之中。也許未來(lái)我們會(huì)迎來(lái)完全無(wú)需使用電線的生活。
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