想到未來特斯拉電動(dòng)車可以不再連接充電樁而是直接無線充電是不是很炫酷?不過，讓這一切技術(shù)成為可能還要?dú)w功于功勛卓越的科學(xué)家尼古拉˙特斯拉，正是他在100年前進(jìn)行的無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)為今天無線充電技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。經(jīng)過多年的發(fā)展無線電能傳輸技術(shù)已經(jīng)取得了哪些成績?未來發(fā)展趨勢如何?此文將帶你進(jìn)入無線電能傳輸?shù)氖澜纭?
無線電能傳輸(Wireless Power Transfer)自20世紀(jì)初尼古拉˙特斯拉(Nikola Tesla)首次試驗(yàn)以來，已經(jīng)有了一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展。從1891到1904年間，特斯拉展開了一系列試驗(yàn)，通過磁感應(yīng)耦合線圈將交流電無線傳輸一個(gè)很短的距離。圖1正是特斯拉試驗(yàn)的一個(gè)原理圖，通過磁感應(yīng)耦合，特斯拉成功通過無線電能傳輸?shù)姆绞近c(diǎn)亮了一只燈泡。
1901年，特斯拉開始在紐約長島建造大型高壓線圈——沃登克里弗塔，又叫做特斯拉塔，目標(biāo)是構(gòu)建全球輸電系統(tǒng)的原型，可惜到1904年，他的計(jì)劃被迫停止，至今也未完成。
自此以后，無線電能傳輸?shù)难芯块_始向兩個(gè)方向發(fā)展：
近場：或者叫做非輻射域。一般認(rèn)為小于一個(gè)波長的距離。
遠(yuǎn)場：或者叫做輻射域。一般認(rèn)為大于一個(gè)波長的距離。
近場方面，無線電能傳輸?shù)闹饕獙?shí)現(xiàn)方式有：磁感應(yīng)耦合，電容耦合，動(dòng)磁耦合。遠(yuǎn)場方面，無線電能傳輸?shù)闹饕獙?shí)現(xiàn)方式有：微波，激光。下面就說一下比較代有表性的磁感應(yīng)耦合和微波。
磁感應(yīng)耦合，又分為一般磁感應(yīng)耦合和共振磁感應(yīng)耦合。后者較之前者工作在一次側(cè)和二次共同諧振頻率上，由于耦合線圈具有很高的Q值，所以在諧振狀態(tài)下可以實(shí)現(xiàn)高效率的感應(yīng)耦合。此外，二者在工作頻率和傳輸距離上也有一些區(qū)別。前者一般工作在Hz~MHz，適用于近距離傳輸;后者一般工作在MHz~GHz，適用于近距離和中距離傳輸。對于共振磁感應(yīng)耦合，最著名的應(yīng)該是MIT的研究者在2007年這篇paper里所述的工作，他們成功利用共振磁感應(yīng)耦合的方式點(diǎn)亮了一個(gè)8倍于線圈半徑的，2米之外的60W燈泡。
基于磁感應(yīng)耦合的無線充電是目前研究最多，應(yīng)用最廣泛的方式，從我們生活中熟悉的電動(dòng)牙刷，手機(jī)，到電動(dòng)汽車，再到植入人體的醫(yī)療設(shè)備，無線充電以可以接受的的充電效率和其他眾多優(yōu)勢(安全，多設(shè)備同時(shí)充電，酷炫等等)已經(jīng)被應(yīng)用到眾多產(chǎn)品中。圖3~5分別是磁感應(yīng)耦合式無線充電實(shí)際應(yīng)用。
微波，具有更好的傳輸支線性和距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，通常工作在GHz。基于微波的無線電能傳輸技術(shù)主要考慮應(yīng)用在太陽能衛(wèi)星向地面?zhèn)鬏斈芰亢托⌒蜔o人機(jī)的供能方面。相關(guān)的工作早在1964年美國就通過微波實(shí)現(xiàn)了一架懸停于18m高的直升飛機(jī)供電。最近又有報(bào)道稱日本的三菱重工成功兩次實(shí)現(xiàn)了微波無限電能傳輸，傳輸距離達(dá)到了500米。
對于未來無線電能輸電的研究方向，主要有：
1、進(jìn)一步提高傳輸效率。盡管目前磁感應(yīng)耦合式的無線電能傳輸效率已經(jīng)能高達(dá)90%，但幾乎都是在一次側(cè)與二次側(cè)線圈完全對準(zhǔn)并且距離很小的時(shí)候的最高效率。如何減小傳輸效率隨線圈距離增加而快速下降?如何實(shí)現(xiàn)諧振狀態(tài)跟蹤，使系統(tǒng)諧振狀態(tài)一直保持不隨線圈距離變化而改變?如何設(shè)計(jì)更高效的線圈?這些都是近幾年無線電能傳輸領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。
2、提高電能傳輸功率。自從2009年無線充電聯(lián)盟(Wireless Power Consortium)提出第一版的“Qi”標(biāo)準(zhǔn)以來，低功率5W或以下的磁感應(yīng)耦合無線充電已經(jīng)有了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。直到2013年，該聯(lián)盟成員已有145家公司，包括諾基亞、HTC、三星等。在未來，期待有千瓦級適用于電動(dòng)汽車的無線充電標(biāo)準(zhǔn)的誕生，這將會(huì)是無線充電在電動(dòng)汽車領(lǐng)域運(yùn)用的一個(gè)新的里程碑。
3、增加傳輸距離。Qi標(biāo)準(zhǔn)中的傳輸距離從5mm到40mm，對于中等距離的無線電能傳輸，可以通過加設(shè)中繼線圈實(shí)現(xiàn)，如4線圈系統(tǒng)，甚至是多米勒骨牌式的線圈系統(tǒng)，如圖6。
4、對其他物體的監(jiān)測和屏蔽，減少對其他非接收物體的影響。這一點(diǎn)對于大功率，遠(yuǎn)距離的無線電能傳輸尤為重要。
總而言之無線電能傳輸技術(shù)作為一種新的電能傳輸方式，還有許許多多的問題值得去研究。無線電能傳輸體現(xiàn)了人類對能源高效，靈活，以及在各種環(huán)境下使用的追求。也許在未來，人類擺脫了終端設(shè)備對導(dǎo)線的依賴，克服了極端環(huán)境對傳輸線的要求，我們的個(gè)人設(shè)備，智能樓宇，醫(yī)療健康器械，都具有了無線充電的方式，我們再也不用為糾纏在一起的各種充電線而煩惱，也不用因有限的充電端口郁悶，我們甚至感受不到電源的存在，再也不用擔(dān)心忘記充電，因?yàn)?，電到處都有呀?
原標(biāo)題:【視角】無線充電：特斯拉的未盡之夢
