無線充電技術應用前景分析

武飛陽

摘要：無線充電技術的誕生開啟了電力傳輸的新紀元，本文詳細闡述了無線充電技術的概念，原理、特點，并針對無線充電技術的特殊應用前景進行分析。

關鍵詞：無線充電技術；應用前景；分析

在十九世紀三十年代，法拉第通過大量的實驗發現了電磁感應現象。所謂的電磁感應現象，就是指通過磁通量的變化產生感應電動勢，從而產生電流。這也是無線充電技術研究的開端。無線充電技術思想最早產生于十九世紀九十年代的特斯拉，所以，特斯拉被后人尊稱為“無線電能傳輸之父”。特斯拉是想將地球作為內導體，然后將地球電離層作為外導體，進而通過電磁波震蕩的模式，在地球和地球電離層之間實現低頻共振，再借助地球表面進行能量的傳輸。但是，這一思想轉變成現實，需要消耗大量的財力。在當時的社會背景下，由于財力的限制，特斯拉的這一大膽構想并未實現。到二十一世紀之后，隨著各類便攜式電子產品的出現，無線充電技術又重現成為研究的熱點。本文將對無線充電技術的研究以及特殊應用前景進行詳細的闡述和介紹。

一、無線充電技術的概述

無線充電技術，即Wireless Charging Technology，是指具有電池的裝置不需要借助于電導線，利用電磁波感應原理或者其他相關的交流感應技術，在發送端和接收端用相應的設備來發送和接收產生感應的交流信號來進行充電的一項技術，源于無線電力輸送技術。

無線充電技術發展到現在，已經成為非常流行的一個前沿技術，讓我們可能擺脫連接線束縛，實現隨時隨地無線充電。無線充電技術的提出能夠很好地解決有線充電帶來的不足，利用無線磁電感應充電的設備可做到隱形、設備磨損率低、應用范圍廣、公共充電區域面積相對的減小、技術含量高以及操作方便等等。無線充電技術首先出現在低功率的電子產品上，隨著技術的成熟以及產品的市場化，未來幾年，無線充電技術將在我們的生活中普及并逐漸取代各種各樣數碼產品的充電器。

二、無線充電的技術原理

實現無線充電技術的最基本原理就是電磁轉換，如圖1所示。無線充電技術是利用磁共振、電磁感應線圈、無線電波等方式，在充電器與設備之間的空氣中傳輸電荷，實現電能高效傳輸的技術。無線充電的方式有四種：電磁感應式，電磁共振式，無線電波式，電場耦合式。

（1）電磁感應式利用線圈產生變化的磁場使待充電設備中的線圈產生感應電流以達到充電目的的，該方法通常采用兩種磁線圈，一個主線圈內建于充電基座提供交流電磁場；另一個線圈則內建于待充電裝置中，能將電磁場的能量轉換為為電池充電。簡單說就是：電生磁，磁生電。此方法的優點是短距離充電時有較高的效率，缺點是需要正確擺放線圈才能達到較為理想的效果，并且金屬感應接觸也存在發熱的問題。

（2）磁場共振式依賴相同共振頻率的松散耦合線圈來傳輸電力，一個負載電荷的板與線圈的某一端相接，就會產生一個共振頻率，當遇到共振頻率相同的接收端時，就可以利用共振效應傳輸電能。該方法適合較大功率輸電，并且輸電距離也上升到了數米，其缺點是存在著輸電效率一般和健康、安全方面的問題。

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

（4）電場耦合式通過耦合兩組非對稱偶極子產生感應電場來傳輸電力，此方法傳輸效率較高且發熱較低，并且存在可移動的優勢，但仍有充電距離較短和充電設備體積較大的問題。

目前，小功率無線充電常采用電磁感應式，大功率無線充電主要采用磁場共振式（大部分電動汽車充電采用此方式）。

三、無線充電技術的充電標準

無線充電技術只需用一個發射端，就可以同時給多個移動設備充電，這樣就可以制定統一的充電標準，也可以為所有符合這一標準的設備進行充電。無線充電技術標準尚未統一，目前主流的無線充電標準有三種：Qi標準，PMA（Power Matters Alliance）標準，以及A4WP（Alliance For Wireless Power）標準。

四、無線充電技術的特殊應用前景

（1）醫用植入設備

醫療植入式裝置在疾病治療中發揮著越來越重要的作用。膠囊內窺鏡、植入式醫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蘇與維持正常。但醫用植入設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，則需要手術更換植入設備。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，安裝了心臟起搏器的患者，每隔8-10年就需要再動一次手術來更換起搏器的電池。如果病人體內的醫用植入設備可以進行充電，就不用再通過手術來更換電池，一次手術即可解決問題，不會有多次手術引起的手術失敗、胸腔感染等風險。

（2）電動汽車

電動汽車可以很好地解決機動車污染排放和能源短缺問題，因此受到了很多國家和政府的鼓勵，許多汽車廠商也投入到了電動汽車的研發和生產當中。目前電動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，使用過程接觸點磨損，且不能在雨水環境充電等問題。

②無線充電是電動汽車相當重要的能源補充方式，它也叫無接觸式充電，主要利用無線電能傳輸技術，其中以感應式無線輸電和諧振式無線電能傳輸為主。具有使用方便、安全、可靠，沒有電火花和觸電的危險，無接觸損耗、沒有相應的維護問題，可以適應雨雪等惡劣的天氣和環境等優點。此外，如果可以實現電動汽車的動態無線充電，則可以大幅減少電動汽車配備的動力電池容量，從而減輕車體重量，降低電動汽車的運行成本。

③防水密封電子產品

便攜式的移動產品，都要不定期地進行充電，因此設備表面不得不留下各種插口和連接電纜，這就很難實現良好的防水密封工藝。而如果設備采用無線充電，設備外殼上就不需要有任何金屬接點或者開口，可以有效增強電子產品的防水性，易于實現產品的防水和密封。如最早出現的采用無線充電的電動牙刷，解決了潮濕環境下的用電安全問題。很多特殊的產品，在特殊的運用場合和環境下，如水下工作的自動檢測系統，需要密封和防水，不希望在產品外殼上留下任何插孔（充電口，開關機鍵，顯示燈等），在一些設備上，如能采用無線充電就能有效的解決其對密封性和防水的要求。

隨著科技的發展，無線充電技術已開始走進大眾的生活，讓人們拜托繁瑣的有線充電設備。同時，隨著無線充電技術的進一步發展，也為許多特殊設備帶來了應用的可能性和發展空間。無線充電技術將對未來電子設備的發展，以及新能源汽車的普及和產業化起到至關重要的作用。盡管目前無線充電技術還存在充電效率不高、技術不成熟、標準不統一等問題，但無線充電技術代表著未來的發展方向，就像前些年的有線電話和時下的移動電話，固定網絡和無線Wi-Fi，從性能上講有線比無線強大，但是從普及性和實用性方面看，無線技術當仁不讓地占據了主流地位。因此，有理由相信在不久的未來，隨著無線充電技術的進步，其會進一步造福大眾生活。

（作者單位：成都樹德中學光華校區）