解决无线电力传输 - 无线充电技术的发展

3 解决无线电力传输的距离问题——共振

　　既然电磁感应方式实现并不复杂，为什么使用该类技术的无线充电器普及这么困难呢？简单地说，最大障碍就在“传输距离”方面。众所周知，传输电力即便通过金属线路传输，距离远了也会产生相当大的线路损耗，更别提通过空气传输了--距离增大以后感应的能量会迅速减少。可以想象，在一些特殊领域如果不能突破距离限制，无线充电已经毫无意义。例如植入体内的仪器，难道必须施行外科手术才能更换电池。太可怕了！还有那种安置在动物身上的无线定位装置，怎样为其补充电能也很关键。

　　为了在无线传输距离上有所突破，MIT的助理教授马林·索尔贾希克（Marin Soljacic）和他的研究小组在长达4年的实验研究中终于获得重大突破。他们在实验中使用了两个直径为50cm的铜线圈，通过调整发射频率使两个线圈在10MHz产生共振，从而成功点亮了距离电力发射端2m以外的一盏60W灯泡。而且，即使在电源与灯泡中间摆上木头、金属或其它电器，都不会影响灯泡发光（图7）。

图7两个线圈之间用木板隔断，对传输效果毫无影响

　　同时，MIT的科学家们还对无线电力传输理论进行了研究。他们确定了两个电磁线圈之间形成磁场强耦合的条件，并给出了富有启发性的结论：

　　a.可行性。通常情况下，电磁辐射具有发散性，相隔较远的接收器只能接收到发射能量的极小一部分。而当接收天线的固有频率与发射端的电磁场频率一致时，就会产生共振，此时磁场耦合强度明显增强，无线电力的传输效率大幅度提高。MIT的实验表明，当收发双方相隔2m时，传输60W功率的辐射损失仅为5W。因此，在几米内“中程”（相较于“近程”和“远程”而言）传输电力是可行的。

　　b.安全性。从电磁理论而方，人体作为非磁性物体，暴露在强磁场环境中不会有任何风险。医院对病人进行核磁共振检查时，磁场强度高达B～1T也不会伤害人体。相比之下，共振状态下磁场强度处于B～10-4 T数量级，仅相当于地磁场的强度，因此不会对人体构成危害（图8）。

图8索尔贾希克（第二排左一）与MIT研究小组成员在两个实验线圈之间留影，以消除人们对磁场辐射的担心。

　　4 长江后浪推前浪，射频充电器更胜一筹

　　就在MIT科学家的研究工作取得实质性进展的辉煌时刻，一家名为Powercast的公司突然推出了一种适合中短距离使用的无线充电装置。与前面提到的SplashPower和WildCharge两家公司的接触式充电器不同，Powercast公司的射频充电器不需要充电垫子，电子设备搁置在距离发送器约1m范围内的任何地方都可以充电。

　　Powercast公司的无线充电系统包括一个安装在墙上的发送器以及可以安装在电子产品上的接收器（图9）。发送器这边利用915MHz频段把射频能量发送出去，而接收器则利用共振线圈吸收射频电波。

图9收发双方通过共振圈传输能量

　　5 Tips

　　目前国际上广泛采用的射频频率分布于低频（125KHz）、高频（13.54MHz）、超高频（850MHz～910MHz）和微波（2.45GHz）4个波段。无线射频识别（RFID）通常使用超高频波段的频率，而Wi-Fi信号则是使用频率为2.4GHz的微波。MIT研究小组在进行无线电力传输实验时采用的频率为4～10MHz。据说Powercast公司曾尝试过使用上述各种波段的射频电波进行电力传输，但只有当频率为900MHz左右时接收到的能量最强。

　　射频电能传输与老式的矿石收音机的收音过程相似。矿石收音机自身没有直流电源，它利用天线接收来自电台的载波，经过检波后在听筒中产生音频电流。Powercast公司声称，这个无线充电系统绝不比一部收音机复杂，而且造价低廉，基本接收装置成本只需5美元。依赖这样的技术优势，Powercast公司已与手机、MP3、汽车配件、体温表、助听器及人体植入仪器等产品的百多家生产厂商签署了合作协议，还会与飞利浦合作在今年年内推出无线充电的LED电筒、明年推出包括键盘/鼠标在内的更多无线电脑外设。