想到未來特斯拉電動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)成為可能還要歸功于功勛卓越的科學家尼古拉˙特斯拉，正是他在100年前進行的無線電能傳輸實驗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?此文將帶你進入無線電能傳輸?shù)氖澜纭?
無線電能傳輸(Wireless Power Transfer)自20世紀初尼古拉˙特斯拉(Nikola Tesla)首次試驗以來，已經(jīng)有了一個多世紀的發(fā)展。從1891到1904年間，特斯拉展開了一系列試驗，通過磁感應(yīng)耦合線圈將交流電無線傳輸一個很短的距離。圖1正是特斯拉試驗的一個原理圖，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，目標是構(gòu)建全球輸電系統(tǒng)的原型，可惜到1904年，他的計劃被迫停止，至今也未完成。
自此以后，無線電能傳輸?shù)难芯块_始向兩個方向發(fā)展：
近場：或者叫做非輻射域。一般認為小于一個波長的距離。
遠場：或者叫做輻射域。一般認為大于一個波長的距離。
近場方面，無線電能傳輸?shù)闹饕獙崿F(xiàn)方式有：磁感應(yīng)耦合，電容耦合，動磁耦合。遠場方面，無線電能傳輸?shù)闹饕獙崿F(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)耦合的方式點亮了一個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牙刷，手機，到電動汽車，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)耦合式無線充電實際應(yīng)用。
微波，具有更好的傳輸支線性和距離遠的特點，通常工作在GHz?；谖⒉ǖ臒o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人機的供能方面。相關(guān)的工作早在1964年美國就通過微波實現(xiàn)了一架懸停于18m高的直升飛機供電。最近又有報道稱日本的三菱重工成功兩次實現(xiàn)了微波無限電能傳輸，傳輸距離達到了500米。
對于未來無線電能輸電的研究方向，主要有：
1、進一步提高傳輸效率。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90%，但幾乎都是在一次側(cè)與二次側(cè)線圈完全對準并且距離很小的時候的最高效率。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”標準以來，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)一的標準。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汽車的無線充電標準的誕生，這將會是無線充電在電動汽車領(lǐng)域運用的一個新的里程碑。
3、增加傳輸距離。Qi標準中的傳輸距離從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。這一點對于大功率，遠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)備對導線的依賴，克服了極端環(huán)境對傳輸線的要求，我們的個人設(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，再也不用擔心忘記充電，因為，電到處都有呀。
原標題:【視角】無線充電：特斯拉的未盡之夢
