無線供電：從理論到流行之路

我們這個世界早已步入無線化時代多年。廣播可以無線、語音通話可以無線、電視信號可以無線、數據傳輸可以無線、外設可以無線……但是甭管什么無線，電源線這根尾巴始終擺脫不掉，而無線供電技術可以讓我們的IT產品擺脫電源線這最后一根“尾巴”。幾年前，無線供電技術聽起來還像是外星科技那樣高不可攀，即使是IT硬件發燒界的資深人士也會問“這種技術的原理是什么？”、“會不會對人體造成較大的輻射傷害？”或者是“無線供電效率如何？”這樣的問題。如今，低功率無線供電技術已經相當成熟，我們可以將自己的筆記本電腦升級為無線供電。

無線供電的定義

在維基百科等網站上，廣義的無線供電定義是終端用電器通過無線方式獲取電能的過程。但按照目前絕大多數人認可的觀點，無線供電技術是將電源端的電能轉換為其他形式的無線能量，并在接收端被再次轉換為電能供終端使用的技術。按照這一定義，很多看起來“無線”的供電方式，比如使用太陽能和風能等等都不能算做“無線供電”。事實上，我們也很少把這類能源供電歸為無線供電的范疇。按照這一定義，目前已經實用化的無線供電技術只有兩類，一類基于電磁感應原理，另一類則基于電磁共振原理。不過，盡管這些原理聽起來很簡單，但實用化的難度并不算小。

無線供電的早期發展

我們都知道無線電波具有能量，波長越短，能量也就越高，類似原子彈和氫彈爆炸那樣的核輻射可以快速殺死生命，即使是波長僅僅比可見光稍短的紫外線也可灼傷皮膚。既然能量能夠通過無線方式傳遞，那么只要找到合適的傳遞方式，就可以實現電能的無線傳輸。天才的物理學家尼古拉?特斯拉曾經設想在地球和電離層之間以低頻電磁波傳遞電能，并進一步實現電力全球輸送的宏圖。由于無線供電有著潛在的軍用價值，因此不少機構和公司在這一領域投入了大量資金，并取得了一系列的重要成果。不過，早期的無線供電研究的軍方背景使無線供電偏重于長距離和高性能，這需要低頻、大功率的載波發射接收裝置，此類裝置一般都相當龐大，這也使得無線供電技術很難用于民用場合，更別提用在便攜裝置上了。

無線供電安全嗎？

無線供電的安全性是每個人都關心的問題。一方面，無線供電造成的交變電場和磁場可能會對人體產生影響，但這種影響通常很小。根據日本相關企業的研究結果，在電動巴士上配備22KHz頻率、30kW的電磁感應式無線供電系統時，磁場強度在近場以距離的立方比例衰減，在100mm遠的位置的磁場強度為72μT。這個值對普通人完全沒有影響，但對于特殊人群則可能會有問題——比如德國規定心臟起搏器的最大容許磁力線密度為66.5μT，因此安裝心臟起搏器的人士應該離開充電裝置至少100mm以上。當然，由于部分電能會變成熱能消耗，因此人們會感覺充電系統旁邊會熱一些。

電磁感應式供電

那么，有沒有什么無線供電技術更為適合民用領域，即距離不那么長、功率也不那么大的場合呢？答案自然是肯定的。科學家們最先想到的是電磁感應技術。電磁感應現象最早為法拉第所發現，當導體切割磁力線時，導體中就會產生電流。電磁感應是我們廣泛運用的發電機的設計基礎，同樣地，我們目前使用的大量智能卡——比如公交卡和餐卡也是基于電磁感應技術來工作的。在讀卡器上方有微弱的交變磁場，而封裝在塑料卡內部的則是智能芯片和感應線圈，當把智能卡放在讀卡器上時，感應線圈中就會產生電流，供芯片使用。

在同樣工作原理的基礎上，將交變磁場的強度加以放大，就能夠實現對小型用電裝置進行無線供電的目的了。無線供電端的工作部分是一個初級線圈，在其中通入交變電流，線圈即會產生交變磁場，這一磁場可以覆蓋與初級線圈很近并與之同軸的次級線圈，從而在次級線圈中產生電流。目前市售的大量無線電動牙刷、電動剃須刀等小電器以及某些型號的智能手機就采用了這一技術。以數年前的產品Palm Pre手機為例，Palm公司在2009年推出了一款與之配合的無線充電底座“Touchstone（點金石）”，充電底座的內部是用于產生交變磁場的電路，而專用的手機背蓋則內置了感應線圈，并通過兩個觸點連接到電池。當然，Palm公司的這一技術并非原創，而是來自Fulton Innovation公司的eCouples技術授權。該公司的eCouples技術同樣被德州儀器、戴爾等公司所采用。

電磁感應式供電的優點是實現起來非常簡單，充電設備和終端設備只需配備感應線圈以及相應的穩壓電路即可，目前市售的“無線充電底座”大部分采用了這一技術。不過，它的缺點也很明顯，一是只有當初級線圈和次級線圈保持近似同軸時才能獲得較高的傳輸效率；二是有效距離較短，在可接觸距離內充電無法體現無線供電的便捷性；三是功率仍有限制，這類設備通常會避免將磁場設計得過強，以免損壞其他設備或對人體造成影響。

電磁共振式供電

很久之前人們就發現了共振現象，它能夠以相當高的效率傳輸能量，在高中時我們做過的音叉共振實驗很好地展示了共振的能量傳遞。

2007年，美國麻省理工學院（MIT）的學者馬林·索爾賈西克發表了一項驚人的成就：他們發現通過向一組線圈施加一定頻率（大約數十兆赫茲）的交變電場，使其周圍產生交變磁場，這一磁場將會使距離第一組線圈數段波長之內的第二組線圈之中產生共振電流，即使距離達到2m以上，也能夠實現40%以上的輸電效率。這一發現的潛在商業價值，特別是用于電動汽車充電的價值被迅速挖掘出來。以索爾賈西克等為骨干，成立了一家新的風險技術企業WiTricity，開始無線供電的商業化研究。與此同時，英特爾、三星、東芝、索尼、高通等企業也開始投入電磁共振式供電的研究。2008年，英特爾展示的無線電力輸送系統達到了75%的輸送效率。到了2009年，長野日本無線宣布能夠將電磁共振式供電在40cm距離內的輸送效率提高到95%，而昭和飛機工業則實現了千瓦功率級別、相距600mm并且達到90%傳輸效率的無線電力傳輸。

電磁共振式供電的最大優點是傳輸距離很長，從數厘米，數十厘米甚至到數米都能夠實現有效供電。其次，它能夠傳輸的功率也相當大，起步就是數十瓦。再次，電磁共振式供電的位置自由度更大，在一段距離中任何位置都可實現供電，兩線圈即使并不平行，甚至處于正交位置，但也能實現電力傳輸。此外，它的磁場強度也比電磁感應式輸電弱得多。這些優點使得電磁共振式供電迅速成為無線供電領域的新貴。

除了在傳輸效率方面不斷取得進步外，電磁共振式無線供電技術的實用化腳步也越來越快。英特爾在IDF上曾經展出了使用電磁共振供電的自充電機器人，還和匹茲堡大學醫學中心與華盛頓大學合作，開發了線圈直徑僅為數厘米的人工心臟無線供電系統，供電效率可達80%。在2012年的IDF上，英特爾還展示了在超極本中使用的無線充電裝置。WiTricity則推出了用于智能手機和數碼設備的充電板以及一套3.5kW級別的電動汽車用無線充電裝置，Delphi（德爾福）公司也推出了類似的系統。傳統汽車生產商如豐田則與WiTricity合作開發此類產品。目前，電磁共振供電是無線供電領域創新最活躍的領域，在2011年舉辦的首屆無線供電學術會議上，有關電磁共振方式的演講占了一半以上。

除了目前還沒有確定的標準之外，電磁共振式供電技術還面臨著與已經相當成熟的電磁感應技術競爭的問題，二者預計的應用突破口都是智能手機等移動設備和電動汽車，而實用化的進程后者則領先一步。能否找到針對前者充電位置靈活、傳輸距離較遠等優勢的應用，將會是決定成敗的關鍵。目前三星推出了使用電磁共振充電的3D眼鏡，TDK則推出了同一類型的無線耳機，這些需要較遠距離傳輸電能的產品可能成為電磁共振充電設備的突破口。而對于電動汽車行駛過程中直接充電這樣的愿景，無疑電磁共振式供電技術更為合適。

電場耦合供電技術

電場耦合技術利用供電端和受電端的兩個電極之間產生的電場來傳遞電能，效率可達到70%～80%左右。這一技術在業內算是少數派，目前只有日本的村田制作所和竹中工務店在進行開發。前者發展的是串聯耦合供電技術，它的結構相對較為簡單，但功率較低；后者發展的是并聯耦合供電技術，結構較為復雜，可實現上百瓦特的充電功率。

與業內最為流行的電磁感應式供電技術相比，電場耦合技術的優勢是在水平方向的自由度較好，無線供電部分發熱量小以及電極材料的厚度更薄，但在功率和效率方面比前者差，而且供電端和受電端的距離也必須很近。這些特征使之更適用于平板電腦和智能手機，功率再增加也可以用于筆記本電腦。由于電極可以做得很大，因此也可以制成采用電場耦合技術的整張書桌或咖啡桌。不過，由于電場耦合技術需使用較高的電壓，因此在安全性方面還需要進一步驗證。

電磁波供電技術

除了以上3類無線供電技術外，還有直接接收電磁波能量的無線供電形式，首先通過天線或接收器接收無線電波發射器的能量，然后再通過共振電路和整流電路將其轉化為可用的電能。英特爾、Powercast、日本電業工作等公司均曾對這一技術展開過研究，載波則為微波或毫米波。不過，通過電磁波傳遞能量較小（一般小于1W）、傳輸效率不高（小于40%），而唯一的好處就是可實現更長的傳播距離以及可以有較多的受電端，因此能在某些特定場合應用。

無線電力傳輸的臨門一腳

目前的無線供電市場依然是電磁感應式充電技術一家獨大的格局，但電磁共振式充電技術已經迎頭趕上。根據相關企業的預測，到2013年，大約一半智能手機都將擁有無線充電功能，而無線充電汽車則會在2015年之后大行其道——如果把公路鋪上線圈的話，甚至可以實現電動汽車行駛中不間斷充電，這無疑很有誘惑力。不要認為這是科幻內容，目前的玩具汽車已經將它變為現實。

WPC標準搶得先機

在IT業界，最有發言權的是那些制定技術標準的企業，電磁感應供電領域也不例外。2008年，Fulton Innovation公司和德州儀器、國家半導體、飛利浦等數家公司一起成立了一個“無線充電聯盟”（The Wireless Power Consortium，WPC）。2010年，WPC發布了針對5W以下功率（主要是手機）用電器的無線充電傳輸標準1.0版本，并以“Qi”作為符合這一標準的設備的標志。

1.0版本的無線傳輸標準采用電磁感應技術作為標準的基礎，WPC規定了數種初級線圈的工作形式。智能化程度最高的是由感應裝置感應次級線圈的位置，然后由步進馬達驅動初級線圈運動到相應位置與次級線圈匹配，這一技術由三洋電機開發，可以獲得大約90%的充電效率。另一種形式是由數十個初級線圈陣列組成充電座，感應裝置會“命令”與次級線圈匹配最好的那一個初級線圈進入工作狀態，這一方案是由我國的Convenient Power公司提出的，它的缺點是成本略高，好處是可以同時給多個設備充電。最“傻瓜”的一種方式是Fulton Innovation公司提出的方案，通過永久磁鐵磁極間的吸引來定位，盡管它成本最低，但很多專家質疑這種方式會對手機中的地磁傳感器等部件產生影響，因此Fulton Innovation公司又追加了利用鐵氧體磁芯和線圈實現定位的技術，并于2012年引入Qi標準中。

目前，WPC的Qi標準是業界運用最廣泛的無線充電標準，特別是堅持自己開發電磁感應式無線充電技術并且占據相當大市場的以色列Powermat公司在2011年5月也投入了WPC的懷抱。不過，很多野心勃勃的公司并不認為自己需要臣服于WPC的標準之下，它們的選擇是另立山頭——支持電磁共振式無線供電。