无线充电技术及其特殊应用前景

摘要：对无线充电技术及发展历程作了阐述，并对电磁感应式、磁共振式、无线电波式和电场耦合式等技术原理进行了分析。在目前无线充电技术面临的挑战和机遇状况下，展望了无线充电技术的应用前景，将在医用植入设备、无线传感网和防水密封电子设备等特殊领域将会有更广阔的应用。

1　无线充电技术概述

无线电技术是信息时代的核心技术之一，无线电用于通信，如无线电广播、无线电报、卫星和微波通信、移动通信和GPS等，大家深谙熟知。然而，无线电既是信息又是能量，它不仅可以承载微弱的通信信息，还可以传输功率较大的能量，如被动式RFID标签的读写过程就是无线电既传输信息又传输能量的一个完美实例。无线充电也是用无线电来传送能量。

无线充电技术，即Wireless charging technology，是指具有电池的装置不需要借助于电导线，利用电磁波感应原理或者其他相关的交流感应技术，在发送端和接收端用相应的设备来发送和接收产生感应的交流信号来进行充电的一项技术，源于无线电力输送技术。

2　无线充电技术发展历程

无线充电技术的研究，源于19世纪30年代，迈克尔•法拉第发现电磁感应现象，即磁通量变化产生感应电动势，从而在电线中产生电流。

但最早的无线电力传输思想是尼古拉•特斯拉(Nikola Tesla) 在19世纪90年代提出的无线电力传输构想和无线输电试验^[1,2]，因而有人称之为无线电能传输之父。特斯拉构想的无线电能传输方法是把地球作为内导体，把地球电离层作为外导体，通过放大发射机以径向电磁波振荡模式，在地球与电离层之间建立起大约8Hz的低频共振，利用环绕地球的表面电磁波来传输能量。不过由于财力不足，特斯拉的大胆构想没能实现，这项最有野心的尝试失败。

进入二十一世纪，随着便携式消费类电子产品的广泛应用，对无线充电的研究成为一个热点，并进入高峰期。很多研究机构和公司研制并发布了各自的无线充电产品，如无线充电的手机、mp3和便携式电脑等;同时，无线充电技术原理也不断有新的突破。

2007年美国麻省理工学院(MIT)的马林•索尔贾希克(Marin Soljacic)等人使用两个直径为50cm的铜线圈，通过调整发射频率使两个线圈在10MHz产生共振，成功点亮了距离电力发射端2 m以外的一盏60W灯泡^[3，4]，这个被称为WiTricity装置采用共振原理，开创了磁共振式无线电能传输的先河。

2009年，Palm最早将无线充电技术应用在手机上，推出的充电设备“触摸石”，并在拉斯维加斯举行的电子产品展览上展示，它利用电磁感应原理为手机无线充电，当设备放在垫块上，两个装置会通过内置感应器识别对方，垫块里面的磁铁就会将手机与垫块吸附在一起然后进行充电。

3　无线充电的技术原理

从具体的技术原理及解决方案来说，目前无线充电技术主要有电磁感应式、磁共振式、无线电波式、电场耦合式四种基本方式。这几种技术分别适用于近程、中短程与远程电力传送。

当前最成熟、最普遍的是电磁感应式。其根本原理是利用电磁感应原理，类似于变压器，在发送端和接收端各有一个线圈，初级线圈上通一定频率的交流电，由于电磁感应在次级线圈中产生一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端，如图1所示。PWC联盟发起者Powermat公司用电磁感应式推出过一款WiCC充电卡，与SD卡差不多大，内部嵌有线圈和电极等组件，插入现有智能手机电池旁边即可使用。

磁共振式也称为近场谐振式，由能量发送装置，和能量接收装置组成，当两个装置调整到相同频率，或者说在一个特定的频率上共振，它们就可以交换彼此的能量，其原理与声音的共振原理相同，排列在磁场中的相同振动频率的线圈，可从一个向另一个供电，如图2。技术难点是小型化和高效率化，被认为是将来最有希望广泛应用于电动汽车无线充电的一种方式。

无线电波式，基本原理类似于早期使用的矿石收音机，主要有微波发射装置和微波接收装置组成。典型的是20世纪60年代布朗(William C. Brown)的微波输电系统^[5,6]，其示意图如图3。整个传输系统包括微波源、发射天线、接收天线3部分;微波源内有磁控管，能控制源在2. 45 GHz频段输出一定的功率;发射天线是64个缝隙的天线阵，接收天线拥有25%的收集和转换效率。日本龙谷大学的移动式无线充电系统，也是通过频率为2.45GHz 的微波送电，点亮了行驶中的模型警车的警灯。

电场耦合式利用通过沿垂直方向耦合的两组非对称偶极子而产生的感应电场来传输电能，其基本原理是通过电场将电能从发送端转移到接收端。这种方式主要是村田制作所采用，具有抗水平错位能力较强的特点^[7]。

各种无线充电方式都有各自的特点，具体比较如表1所示。

4 无线充电标准

目前无线充电标准有Qi标准、PMA(Power Matters Alliance)标准和A4WP(Alliance for Wireless Power)标准三种，标准尚未统一，各标准比较如表2。其中Qi标准应用最为广泛，是无线充电联盟(Wireless Power Consortium， WPC)推出的国际标准;采用近距离电磁感应技术作为低功耗便携式电子设备充电，为所有电子厂商提供统一的通用标准。PMA标准及联盟由Powermat公司发起，致力于为符合IEEE协会标准的手机和电子设备进行无线供电。A4WP标准由美国高通公司、韩国三星公司以及Powermat公司共同创建的无线充电联盟推出，采用磁共振式无线充电，目标是为便携式电子产品和电动汽车等提供无线充电。

5 无线充电的应用前景

5.1 机遇与挑战

无线充电技术发展至今，应用场景广泛。可为电动牙刷、电动剃须刀和无绳电话等小家电无线充电，并已实用化;可为便携式消费类电子，如手机、PDA和笔记本电脑等充电;也可为电动汽车无线充电。

无线充电是一种有关生活方式的科技成就，将影响整个日常生活。然而，目前无线充电还存在着各种各样的缺点、问题，面临着很多挑战。首先是效率问题：充电效率不高，长时间下能源浪费严重，远距离大功率无线设备的耗能会更高，浪费更大;其次是安全性问题：大功率无线充电设备的电磁辐射会对环境和生物(如鸟类、居民等)造成很多不利的影响，可能会干扰日常通信，可能对飞机等交通工具产生不良影响;第三是方便性和实用性问题：充电时不能随意动，位置还必须固定，从使用角度来看，并不比有线充电方便太多;最后是成本较高，价格不菲。

总的说来，无线充电产品在消费电子市场并不是非常有吸引力的功能，未能成为消费者关注的重点，并没有带来实质性的革命;还没有大规模的使用，并未真正在市场上形成气候，无线充电只是一个小噱头，还未被广泛接受，叫好不叫座，只是一场曲高和寡的技术游戏。

无线充电技术虽然面临着很多挑战，目前也富有很多机遇，个人认为前景巨大，在一些特殊的领域具有特殊的用途，具有很重要的应用，如医用植入设备，无线传感网，防水密封电子产品等等。

5.2 医用植入设备

医疗植入式装置在疾病治疗中发挥着越来越重要的作用。胶囊内窥镜、植入式医用胶囊可以窥探人体消化道或肠道的溃疡、异常的增长以及出血等健康状况，帮助医生对病人进行诊断;心脏起搏器可在必要时候用电信号激活心脏复苏与维持正常。但医用植入设备的供电电池容量往往是一定的，一般可供使用几年，如电池耗完，则需要手术更换植入设备。目前，心脏起搏器植入人体之后，8-10年左右就需要更换电池。也就是说，虽然安装了心脏起搏器，但每隔8-10年还需要再动一次手术来更换起搏器的电池。如果病人体内的医用植入设备可以进行充电，会方便很多，不用再通过手术来更换电池，一次手术即可解决问题，不会有手术失败、胸腔感染等风险。

Thoratec 和Witricity公司在2011年已合作研制成功植入式心脏起搏器，采用谐振式无线充电方式，无线充电距离超过10英寸^[8]，如图4所示。另外，美国Purdue大学的Albert Kim、Teimour Maleki和Ziaie等人提出了用音乐为植入式装置供电的概念^[9]，他们研制了一个固有频率为 435 Hz的PZT悬臂梁，放置于长度为40mm，直径为8mm的玻璃胶囊里，通过外部频率为200-500Hz的音乐，如RAP、布鲁斯、爵士和摇滚乐等，来激励悬臂梁产生振动，并转换成电能，从而为植入式装置供电。

5.3 无线传感网

无线充电可以实现为低功耗无线传感器网络充电，如可为安置在动物身上的无线定位、监测装置补充电能。ADInstruments 公司的无线动物监测系统^[10]，如图5，可以无线监测和采集动物的压力值(如动脉、动脉、膀胱和子宫等)、生物电动势(ECG心电)和体温等。采用小型传感器可以采集高质量的数据，并可以扩大移动范围，系统应用灵活，可长期监控、记录动物的状况。电池可在线充电，不需要停止工作，也不用花费昂贵的代价去更换电池。

5.4 防水密封电子产品

便携式的移动产品, 都要不定期地进行充电, 因此不得不留下各种插口和连接电缆，这就很难实现具有防水性能的密封工艺。采用无线充电后，由于设备外壳上没有金属接点或者开口，可以增强电子产品的防水性，易于实现产品的防水和密封。如最早出现的采用无线充电的电动牙刷，解决了潮湿环境下的用电安全问题。现在很多特殊的产品，在特殊的运用场合和环境下，如水下工作的自动检测系统，需要密封和防水，不希望产品外壳上留下任何插孔(充电口，开关机键，显示灯等)，在这种情形下，如能采用无线充电就能解决其密封和防水问题。笔者就基于Qi无线充电标准，采用电磁感应式无线充电技术，设计了一款防水密封型便携式GPS终端设备;所研制的无线充电接收模块，尺寸为50x32x1.0mm3，能有效地为设备的锂离子电池进行无线充电，结合软件控制，并实现了设备的无线充电自动开机。

6 小结

无线充电技术发展了近200年历史，出现了多种技术原理方案，电磁感应式、磁共振式、无线电波式和电场耦合式，并有很多广泛的应用。目前无线充电技术面临着很多挑战和机遇，在某些特殊领域，如医用植入设备、无线传感网和防水密封电子设备等，将会有更广阔的应用前景。

参考文献:

[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]魏红兵等，电力系统中无线电能传输的技术分析[J]，西南大学学报(自然科学版)，2009年9月，第31卷第9期，P.163-167
　　[5]林为干,赵愉深,文一舸，微波输电,现代化建设的生力军[J]，科技导报, 1994 (03) : 31234
　　[6]王秩雄,胡劲蕾,梁俊, 无线输电技术的应用前景[J]， 空军工程大学学报:自然科学版, 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