無線充電技術(shù)及其特殊應(yīng)用前景

摘要：對無線充電技術(shù)及發(fā)展歷程作了闡述，并對電磁感應(yīng)式、磁共振式、無線電波式和電場耦合式等技術(shù)原理進行了分析。在目前無線充電技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)和機遇狀況下，展望了無線充電技術(shù)的應(yīng)用前景，將在醫(yī)用植入設(shè)備、無線傳感網(wǎng)和防水密封電子設(shè)備等特殊領(lǐng)域?qū)懈鼜V闊的應(yīng)用。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/248889.htm

關(guān)鍵詞：無線充電技術(shù)；醫(yī)用植入設(shè)備；無線傳感網(wǎng)；防水密封

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.6.004

1 無線充電技術(shù)概述

無線電技術(shù)是信息時代的核心技術(shù)之一，無線電用于通信，如無線電廣播、無線電報、衛(wèi)星和微波通信、移動通信和GPS等，大家深諳熟知。然而，無線電既是信息又是能量，它不僅可以承載微弱的通信信息，還可以傳輸功率較大的能量，如被動式RFID標(biāo)簽的讀寫過程就是無線電既傳輸信息又傳輸能量的一個完美實例。無線充電也是用無線電來傳送能量。

無線充電技術(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)備來發(fā)送和接收產(chǎn)生感應(yīng)的交流信號來進行充電的一項技術(shù)，源于無線電力輸送技術(shù)。

2 無線充電技術(shù)發(fā)展歷程

無線充電技術(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)電動勢，從而在電線中產(chǎn)生電流。

但最早的無線電力傳輸思想是尼古拉？特斯拉（Nikola Tesla） 在19世紀(jì)90年代提出的無線電力傳輸構(gòu)想和無線輸電試驗[1，2]，因而有人稱之為無線電能傳輸之父。特斯拉構(gòu)想的無線電能傳輸方法是把地球作為內(nèi)導(dǎo)體，把地球電離層作為外導(dǎo)體，通過放大發(fā)射機以徑向電磁波振蕩模式，在地球與電離層之間建立起大約8Hz的低頻共振，利用環(huán)繞地球的表面電磁波來傳輸能量。不過由于財力不足，特斯拉的大膽構(gòu)想沒能實現(xiàn)，這項最有野心的嘗試失敗。

進入二十一世紀(jì)，隨著便攜式消費類電子產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，對無線充電的研究成為一個熱點，并進入高峰期。很多研究機構(gòu)和公司研制并發(fā)布了各自的無線充電產(chǎn)品，如無線充電的手機、mp3和便攜式電腦等；同時，無線充電技術(shù)原理也不斷有新的突破。

2 0 0 7年美國麻省理工學(xué)院（MIT）的馬林？索爾賈希克（Marin Soljacic）等人使用兩個直徑為50cm的銅線圈，通過調(diào)整發(fā)射頻率使兩個線圈在10MHz產(chǎn)生共振，成功點亮了距離電力發(fā)射端2 m以外的一盞60W燈泡[3，4]，這個被稱為WiTricity裝置采用共振原理，開創(chuàng)了磁共振式無線電能傳輸?shù)南群印?/p>

2009年，Palm最早將無線充電技術(shù)應(yīng)用在手機上，推出的充電設(shè)備“觸摸石”，并在拉斯維加斯舉行的電子產(chǎn)品展覽上展示，它利用電磁感應(yīng)原理為手機無線充電，當(dāng)設(shè)備放在墊塊上，兩個裝置會通過內(nèi)置感應(yīng)器識別對方，墊塊里面的磁鐵就會將手機與墊塊吸附在一起然后進行充電。

3 無線充電的技術(shù)原理

從具體的技術(shù)原理及解決方案來說，目前無線充電技術(shù)主要有電磁感應(yīng)式、磁共振式、無線電波式、電場耦合式四種基本方式。這幾種技術(shù)分別適用于近程、中短程與遠程電力傳送。

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線圈，初級線圈上通一定頻率的交流電，由于電磁感應(yīng)在次級線圈中產(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)有智能手機電池旁邊即可使用。

磁共振式也稱為近場諧振式，由能量發(fā)送裝置，和能量接收裝置組成，當(dāng)兩個裝置調(diào)整到相同頻率，或者說在一個特定的頻率上共振，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，排列在磁場中的相同振動頻率的線圈，可從一個向另一個供電，如圖2。技術(shù)難點是小型化和高效率化，被認(rèn)為是將來最有希望廣泛應(yīng)用于電動汽車無線充電的一種方式。

無線電波式，基本原理類似于早期使用的礦石收音機，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)[5，6]，其示意圖如圖3。整個傳輸系統(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)的移動式無線充電系統(tǒng)，也是通過頻率為2.45GHz 的微波送電，點亮了行駛中的模型警車的警燈。

電場耦合式利用通過沿垂直方向耦合的兩組非對稱偶極子而產(chǎn)生的感應(yīng)電場來傳輸電能，其基本原理是通過電場將電能從發(fā)送端轉(zhuǎn)移到接收端。這種方式主要是村田制作所采用，具有抗水平錯位能力較強的特點[7]。

各種無線充電方式都有各自的特點，具體比較如表1所示。

4 無線充電標(biāo)準(zhǔn)

目前無線充電標(biāo)準(zhǔn)有Qi標(biāo)準(zhǔn)、PMA（Power Maters Alliance）標(biāo)準(zhǔn)和A4WP（Alliance for Wireless Power）標(biāo)準(zhǔn)三種，標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，各標(biāo)準(zhǔn)比較如表2。其中Qi標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用最為廣泛，是無線充電聯(lián)盟（Wireless Power Consortium， WPC）推出的國際標(biāo)準(zhǔn)；采用近距離電磁感應(yīng)技術(shù)作為低功耗便攜式電子設(shè)備充電，為所有電子廠商提供統(tǒng)一的通用標(biāo)準(zhǔn)。PMA標(biāo)準(zhǔn)及聯(lián)盟由Powermat公司發(fā)起，致力于為符合IEEE協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)的手機和電子設(shè)備進行無線供電。A4WP標(biāo)準(zhǔn)由美國高通公司、韓國三星公司以及Powermat公司共同創(chuàng)建的無線充電聯(lián)盟推出，采用磁共振式無線充電，目標(biāo)是為便攜式電子產(chǎn)品和電動汽車等提供無線充電。

5 無線充電的應(yīng)用前景

5.1 機遇與挑戰(zhàn)

無線充電技術(shù)發(fā)展至今，應(yīng)用場景廣泛。可為電動牙刷、電動剃須刀和無繩電話等小家電無線充電，并已實用化；可為便攜式消費類電子，如手機、PDA和筆記本電腦等充電；也可為電動汽車無線充電。

無線充電是一種有關(guān)生活方式的科技成就，將影響整個日常生活。然而，目前無線充電還存在著各種各樣的缺點、問題，面臨著很多挑戰(zhàn)。首先是效率問題：充電效率不高，長時間下能源浪費嚴(yán)重，遠距離大功率無線設(shè)備的耗能會更高，浪費更大；其次是安全性問題：大功率無線充電設(shè)備的電磁輻射會對環(huán)境和生物（如鳥類、居民等）造成很多不利的影響，可能會干擾日常通信，可能對飛機等交通工具產(chǎn)生不良影響；第三是方便性和實用性問題：充電時不能隨意動，位置還必須固定，從使用角度來看，并不比有線充電方便太多；最后是成本較高，價格不菲。

總的說來，無線充電產(chǎn)品在消費電子市場并不是非常有吸引力的功能，未能成為消費者關(guān)注的重點，并沒有帶來實質(zhì)性的革命；還沒有大規(guī)模的使用，并未真正在市場上形成氣候，無線充電只是一個小噱頭，還未被廣泛接受，叫好不叫座，只是一場曲高和寡的技術(shù)游戲。

無線充電技術(shù)雖然面臨著很多挑戰(zhàn)，目前也富有很多機遇，個人認(rèn)為前景巨大，在一些特殊的領(lǐng)域具有特殊的用途，具有很重要的應(yīng)用，如醫(yī)用植入設(shè)備，無線傳感網(wǎng)，防水密封電子產(chǎn)品等等。

5.2 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、異常的增長以及出血等健康狀況，幫助醫(yī)生對病人進行診斷；心臟起搏器可在必要時候用電信號激活心臟復(fù)蘇與維持正常。但醫(yī)用植入設(shè)備的供電電池容量往往是一定的，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，雖然安裝了心臟起搏器，但每隔8-10年還需要再動一次手術(shù)來更換起搏器的電池。如果病人體內(nèi)的醫(yī)用植入設(shè)備可以進行充電，會方便很多，不用再通過手術(shù)來更換電池，一次手術(shù)即可解決問題，不會有手術(shù)失敗、胸腔感染等風(fēng)險。

Toratec 和Witricity公司在2011年已合作研制成功植入式心臟起搏器，采用諧振式無線充電方式，無線充電距離超過10英寸[8]，如圖4所示。另外，美國Purdue大學(xué)的Albert Kim、Teimour Maleki和Ziaie等人提出了用音樂為植入式裝置供電的概念[9]，他們研制了一個固有頻率為 435 Hz的PZT懸臂梁，放置于長度為40mm，直徑為8mm的玻璃膠囊里，通過外部頻率為200-500Hz的音樂，如RAP、布魯斯、爵士和搖滾樂等，來激勵懸臂梁產(chǎn)生振動，并轉(zhuǎn)換成電能，從而為植入式裝置供電。

5.3 無線傳感網(wǎng)

無線充電可以實現(xiàn)為低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)充電，如可為安置在動物身上的無線定位、監(jiān)測裝置補充電能。ADInstruments 公司的無線動物監(jiān)測系統(tǒng)[10]，如圖5，可以無線監(jiān)測和采集動物的壓力值（如動脈、動脈、膀胱和子宮等）、生物電動勢（ECG心電）和體溫等。采用小型傳感器可以采集高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，并可以擴大移動范圍，系統(tǒng)應(yīng)用靈活，可長期監(jiān)控、記錄動物的狀況。電池可在線充電，不需要停止工作，也不用花費昂貴的代價去更換電池。

5.4 防水密封電子產(chǎn)品

便攜式的移動產(chǎn)品， 都要不定期地進行充電， 因此不得不留下各種插口和連接電纜，這就很難實現(xiàn)具有防水性能的密封工藝。采用無線充電后，由于設(shè)備外殼上沒有金屬接點或者開口，可以增強電子產(chǎn)品的防水性，易于實現(xiàn)產(chǎn)品的防水和密封。如最早出現(xiàn)的采用無線充電的電動牙刷，解決了潮濕環(huán)境下的用電安全問題。現(xiàn)在很多特殊的產(chǎn)品，在特殊的運用場合和環(huán)境下，如水下工作的自動檢測系統(tǒng)，需要密封和防水，不希望產(chǎn)品外殼上留下任何插孔（充電口，開關(guān)機鍵，顯示燈等），在這種情形下，如能采用無線充電就能解決其密封和防水問題。筆者就基于Qi無線充電標(biāo)準(zhǔn)，采用電磁感應(yīng)式無線充電技術(shù)，設(shè)計了一款防水密封型便攜式GPS終端設(shè)備；所研制的無線充電接收模塊，尺寸為50x32x1.0mm3，能有效地為設(shè)備的鋰離子電池進行無線充電，結(jié)合軟件控制，并實現(xiàn)了設(shè)備的無線充電自動開機。

6 小結(jié)

無線充電技術(shù)發(fā)展了近200年歷史，出現(xiàn)了多種技術(shù)原理方案，電磁感應(yīng)式、磁共振式、無線電波式和電場耦合式，并有很多廣泛的應(yīng)用。目前無線充電技術(shù)面臨著很多挑戰(zhàn)和機遇，在某些特殊領(lǐng)域，如醫(yī)用植入設(shè)備、無線傳感網(wǎng)和防水密封電子設(shè)備等，將會有更廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻：

[1] NIKOLA T. The TRANSM ISSION OF ELECTR ICAL ENERGYW ITHOUTW IRES[J]. ElectricalWorld and Engineer. 1904 （5）：5662572

[2] NIKOLA T. WORLD SYSTEM OFW IRELESS TRANSM ISSION OF ENERGY[J]. Telegraph and Telegraph Age， 1927， 10 （16）：151521510

[3] Andre Kurs， Aristeidis Karalis， Robert Moffatt， etal. Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances[J]. Science， 2007，317：8386.

[4]魏紅兵等，電力系統(tǒng)中無線電能傳輸?shù)募夹g(shù)分析[J]，西南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009年9月，第31卷第9期，P.163-167

[5]林為干，趙愉深，文一舸，微波輸電，現(xiàn)代化建設(shè)的生力軍[J]，科技導(dǎo)報， 1994 （03） ： 31234

[6]王秩雄，胡勁蕾，梁俊， 無線輸電技術(shù)的應(yīng)用前景[J]， 空軍工程大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版， 2003， 4 （1） ： 82285

[7]Murata Manufacturing Co.，Ltd.， Murata Capacitive Coupling Wireless Power Transfer System[W]， www.murata. com

[8]David Schatz， Jamie Hartford， Wireless Power For Medical Devices[J]， Electronic Components.

[9]Albert Kim， Teimour Maleki ，Ziaie，. A Novel Electromechanical Interrogation Scheme for Implantable Passive Transponders[C]，IEEE MEMS conference， Jan. 29 to Feb. 2 in Paris.

[10] ADInstruments Pty Ltd.， Wireless Animal Monitoring System[W]， www.adinstruments.com