2007年6月，麻省理工大學(xué)的物理學(xué)助理教授馬林·索爾賈希克（Marin Soljacic）和他的研究團(tuán)隊公開做了一個演示。他們給一個直徑60厘米的線圈通電，6英尺（約1.9米）之外連接在另一個線圈上的60瓦燈泡被點亮了。這種馬林稱之為“witricity”技術(shù)的原理是“磁耦合共振”，而他本人也因為這一發(fā)明獲得了麥克阿瑟基金會2008年的天才獎。 新技術(shù)所消耗的電能只有傳統(tǒng)電磁感應(yīng)供電技術(shù)的百萬分之一，不由讓人們對室內(nèi)距離的無線供電重新燃起了希望。而它的關(guān)鍵在于“共振”。

原理

科學(xué)家們早就發(fā)現(xiàn)，共振是一種非常高效的傳輸能量方式。我們都聽過諸如共振引起的鐵橋坍塌、雪崩或者高音歌唱家震碎玻璃杯的故事。無論這些故事可信度如何，但它們的基本原理是正確的：兩個振動頻率相同的物體之間可以高效傳輸能量，而對不同振動頻率的物體幾乎沒有影響。在馬林的這種新技術(shù)中，將發(fā)送端和接收端的線圈調(diào)校成了一個磁共振系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)送端產(chǎn)生的振蕩磁場頻率和接收端的固有頻率相同時，接收端就產(chǎn)生共振，從而實現(xiàn)了能量的傳輸。根據(jù)共振的特性，能量傳輸都是在這樣一個共振系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行，對這個共振系統(tǒng)之外的物體不會產(chǎn)生什么影響。這就像是幾個厚度不同的玻璃杯不會因為同一頻率的聲音而同時炸碎一樣。

最妙的就是這一點了。當(dāng)發(fā)射端通電時，它并不會向外發(fā)射電磁波，而只是在周圍形成一個非輻射的磁場。這個磁場用來和接收端聯(lián)絡(luò)，激發(fā)接收端的共振，從而以很小的消耗為代價來傳輸能量。在這項技術(shù)中，磁場的強(qiáng)度將不過和地球磁場強(qiáng)度相似，人們不用擔(dān)心這種技術(shù)會對自己的身體和其他設(shè)備產(chǎn)生不良影響。

在2007年馬林演示他的成果的時候，這項技術(shù)能夠達(dá)到40%左右的效率。這在某些場合是可以接受的，但是人們還想更進(jìn)一步。剛才我們提到的英特爾公司研究員們已經(jīng)把傳輸效率提升到了75%，而馬林小組聲稱，他們做到了90%。雖然成效驚人，但改進(jìn)空間也依然很大。下一步，便是在提高傳輸效率的同時縮小發(fā)射端和接收端的體積，最終實現(xiàn)用電設(shè)備內(nèi)置接收端的目標(biāo)。

想象一下， 這會對生活帶來什么樣的影響？我們可以完全從需要的角度出發(fā)來擺放家用電器，不用再考慮附近是否有插座；我們在裝修房間的時候不用再考慮如何布設(shè)電線，筆記本電腦和手機(jī)這樣的小件電子設(shè)備永遠(yuǎn)顯示電池充滿，清掃機(jī)器人在房間里跑來跑去，不用過一會就去找地方充電……這一天也許很快就會來到。市場上已經(jīng)有了一些采用這種技術(shù)的原型產(chǎn)品，廣泛使用也只是時間問題罷了。

關(guān)于無線供電

　　廣義地說，終端用電器通過無線的方式獲取電能的過程就叫無線供電，所獲得的電能是由其它形式的能量轉(zhuǎn)化面來的，無線供電裝置就是一套能量轉(zhuǎn)化為電能的裝置。

按照廣義的說法，最常見的無線供電就是太陽能電池，它吸收太陽能量轉(zhuǎn)化為電能。

無線供電的形式有多種，所有攜帶能量的物質(zhì)形式都有可能用來無線供電，如電磁感應(yīng)，電磁共振，風(fēng)力發(fā)電，太陽能發(fā)電，潮汐發(fā)電，微波供電，激光供電，遠(yuǎn)紅外供電等等，只是這些發(fā)電方式有的設(shè)備相當(dāng)復(fù)雜，體積龐大，不能直接用與終端設(shè)備整合成一體，而是通過電線與終端設(shè)備相連。

狹義地說，通常我們把電磁感應(yīng)和電磁共振叫作無線供電，簡單地認(rèn)為這是一個電與電之間的無線連接，事實上，它們都是線歷了二次轉(zhuǎn)換，即：發(fā)射部分將電能轉(zhuǎn)化為磁能，然后由接收部分將磁能轉(zhuǎn)化為電能。電磁感應(yīng)的距離是很近的，通常在30厘米以內(nèi)，電磁共振的距離稍遠(yuǎn)些，距離為數(shù)厘米到3米以內(nèi)，此類無線供電能方便地傳輸較大的功率，數(shù)千瓦甚至數(shù)十千瓦，工業(yè)上使用的有軌非接觸式無線供電就是這種類型，它是將一個發(fā)射線圈做成軌道，用電器沿著軌道運行，一個磁芯騎（串）在軌道上，接收線圈通過磁芯的耦合從軌道上獲取電能。2006年在麻省理工的無線供電實驗便屬于電磁共振。

微波的無線供電具有很好的穿透性，傳輸距離遠(yuǎn)且受障礙物影響較小，在金屬表面反射等特點，但微波可能會對環(huán)境產(chǎn)生較大的影響，特別是對人和動物的影響。而激光的無線供電具有直線傳播、能量集中、距離遠(yuǎn)和穿透性差等特性，易受障礙物的影響，對人和動物特別是眼睛的影響較大，通常不適合于民用。

下面的圖例便清楚地表明了目前被采用的幾種無線供電方式的工作原理，開動你聰明的腦袋，相信你是可以理解圖中的概念的。

（1）電場耦合式無線供電

電場耦合式無線供電模塊是由2個非對稱偶極子按垂直方向排列而成的，這組偶極子各由供電部分和接收部分的活性炭電極和接地電極組成。無線供電模塊就是通過這2個非對稱偶極子的電場耦合而產(chǎn)生的感應(yīng)電場來供電的。

利用這種電路結(jié)構(gòu)，可以開發(fā)出位置隨意性強(qiáng)且傳輸效率高的電場耦合式無線供電模塊，下圖為電場耦合式無線供電的基本電路結(jié)構(gòu)。

無線供電系統(tǒng)的供電部分是由供電模塊和供電電極組成的，而接收部分則是由接收電極、接收模塊和DC-DC轉(zhuǎn)換器組成的。通過電源電路設(shè)計技術(shù)，為供電模塊設(shè)計了電源電路，并在供電模塊中安裝了能夠確保產(chǎn)品安全性的控制電路。

來自供電模塊的被轉(zhuǎn)換成交流電的電流在經(jīng)過由供電電極和接收電極之間形成的耦合電容的耦合后，被傳遞到接收部分。

通過在接收部分安裝了整流電路和電壓轉(zhuǎn)換電路，無線供電系統(tǒng)能夠向電池和電子設(shè)備提供穩(wěn)定的直流電。以下是采用電場耦合式無線供電系統(tǒng)的塊圖。

需要強(qiáng)調(diào)的是，在采用電場耦合方式供電的過程中，需要轉(zhuǎn)換電壓。

（2）電磁感應(yīng)式無線供電

電磁感應(yīng)主要是利用與變壓器相同的原理，實現(xiàn)并不復(fù)雜，在初級線圈產(chǎn)生一定頻率的交流電后，通過電磁感應(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。下圖為電磁感應(yīng)無線供電方式基礎(chǔ)電路結(jié)構(gòu)。

既然電磁感應(yīng)方式實現(xiàn)并不復(fù)雜，為什么使用該類技術(shù)的無線充電器普及這么困難呢？簡單地說，最大障礙就在“傳輸距離”方面。

眾所周知，傳輸電力即便通過金屬線路傳輸，距離遠(yuǎn)了也會產(chǎn)生相當(dāng)大的線路損耗，更別提通過空氣傳輸了——實現(xiàn)傳輸距離最遠(yuǎn)只有10cm左右，對于是否能大范圍應(yīng)用這是一個很大的問題，而且需要考慮很多的散熱問題，比如線圈之間的發(fā)熱。

不過，電磁感應(yīng)式充電技術(shù)的擁有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、電磁輻射問題低等優(yōu)點，極容易實現(xiàn)產(chǎn)品小型化。由于小型數(shù)碼設(shè)備的功耗通常不超過100W，充電距離沒有 太多的要求，因此大多數(shù)支持無線充電的數(shù)碼大多采用電磁感應(yīng)方案，比如無線充電手機(jī)、無線充電板、充電墊都是基于這一技術(shù)。

（3）磁共振無線供電

日本村田制作所的細(xì)谷開發(fā)出了采用開關(guān)技術(shù)的共振方式無線供電系統(tǒng)。該方式的特點是系統(tǒng)整體的電力效率高，這為無線供電系統(tǒng)提高線圈等共振元件之間的傳輸效率帶來了巨大的影響。

　　“直流共振方式”的無線供電技術(shù)（WPT：Wireless Power Transfer）與以往采用磁共振方式的WPT系統(tǒng)相比，其特點是系統(tǒng)構(gòu)造更加簡單，包括電源在內(nèi)的系統(tǒng)整體電力效率高。而且，即使傳輸距離發(fā)生變化，或者電力傳輸對象變?yōu)槎鄠€等負(fù)載發(fā)生較大變化時，電力傳輸效率也不會大幅降低，這也是特點之一。下圖所示情況便可被認(rèn)為是直流電源和供電線圈形成“共振場”。從直流電源——太陽能電池，利用具備開關(guān)電路的供電模塊將直流電壓轉(zhuǎn)換成矩形波，通過供電線圈生成了電磁場的近場“共振場”。

首先，與磁共振方式相比，可提高系統(tǒng)的整體電力效率，而且系統(tǒng)構(gòu)造變得非常簡單；其次，與電磁感應(yīng)方式相比，供受電器件的位置自由度高，供受電器件的重量也變得更輕。與電場耦合方式相比，延長傳輸距離時較占優(yōu)勢。與無線電波方式相比，傳輸電力更大 1～4）。

（4）電波式無線供電

對于電波方式無線供電技術(shù)，原理其實非常簡單，我們?nèi)粘Ｋ佑|到的電磁波都承載著能量。無線電廣播在發(fā)射時，大部分的能量都四散在了空中，而這項技術(shù)就是要用一種非放射性的場來聚集這些能量。我們都知道，特定頻率的電磁波會引起物體的震動，兩個固有頻率相同的物體就可以傳遞這種震動，從而傳遞能量。我們可以讓一個諸如銅制天線的物體發(fā)射電磁波，而讓接收器來接收，轉(zhuǎn)化為能量。理論上說，所有現(xiàn)在使用電池的電器都可以換用這種方式供電。當(dāng)然，現(xiàn)階段這種傳遞還僅限于幾米的短距離范圍。

關(guān)于由此產(chǎn)生的電磁輻射對人體的影響問題，研究者們正在進(jìn)行試驗，以最終滿足FCC的標(biāo)準(zhǔn)要求。開發(fā)人員稱，現(xiàn)在的輻射水平大概和核磁共振儀類似，應(yīng)該是在安全范圍之內(nèi)。

如果試驗進(jìn)行順利，這種無線供電技術(shù)將會有非常巨大的發(fā)展空間，比如可以在地下鋪設(shè)線路，隨時為我們手中的電話，甚至行進(jìn)中的汽車充電。但研究者指出，該技術(shù)仍處在起步階段，這些展望都還存在在設(shè)想當(dāng)中。

無線充電與電子設(shè)備結(jié)緣

作為一項能改變我們未來生活方式的技術(shù)，無線充電技術(shù)早已為眾多的廠商所覬覦，因此我們也在市面上能夠發(fā)現(xiàn)已經(jīng)采用了這種技術(shù)的先鋒產(chǎn)品。

Palm（現(xiàn)在是HP）的WebOS產(chǎn)品所使用的點金石充電系統(tǒng)就屬于無線充電技術(shù)的一種，用戶只需要將手機(jī)放在點金石上，充電就會自動開始，無需連接任何線路。

而諾基亞Lumia 920 、LG Nexus 4、HTC Droid DNA等這些新一代智能手機(jī)也都支持無線充電這一神奇的功能：使用者只需將手機(jī)的背蓋放置在無線充電底座上，即可進(jìn)行充電。

當(dāng)然，無線充電技術(shù)并不僅僅是智能手機(jī)領(lǐng)域，如筆記本電腦方面也將是它的舞臺。戴爾是最早推出支持無線充電產(chǎn)品的廠商，它早在2009年就推出了配備了無線 充電功能模塊的Latitude Z600，成為全球首款支持無線充電的筆記本電腦：通過無線塢站的擴(kuò)充，可以為這款機(jī)器提供60W功率的供電，5小時左右即可將這款產(chǎn)品的電池充滿。

未來不僅是小功率電器，常見的家用電器設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、電動工具、辦公室電器、廚房電器等都可以實現(xiàn)無線充電了。其實準(zhǔn)確的說，應(yīng)該叫“無線供電”，也就是 一邊傳輸一邊使用電能，不需要任何類似于電池的電量存儲設(shè)備，更不需要提前充電了。如海爾已經(jīng)在CES2012上就曾推出“無尾”電視。當(dāng)然，未來電動汽 車領(lǐng)域也將無線充電技術(shù)大展身手的地方，這樣你以后不用開著更環(huán)保的汽車就再經(jīng)常憂心重重地找充電站。

發(fā)展路上的拌腳石雖然目前有無線充電設(shè)備的已經(jīng)上市，但否說服人們“擺脫最后一根線纜”，仍要需要一些時日，因為擺在它面前仍有不少問題需要解決。

無線充電技術(shù)面臨的問題首先是標(biāo)準(zhǔn)混亂。無線充電技術(shù)目前有三大陣營，其一為PMA規(guī)格，獲谷歌、AT&T和星巴克支持；其二HTC、LG、摩托羅拉及索尼、TI、飛利浦等大廠則力挺WPC的Qi規(guī)格；最后是三星、高通與其它18家公司則支持A4WP。

目前由于標(biāo)準(zhǔn)紛亂，因此一款擁有無線充電功能的手機(jī)，不代表在任何充電平臺上都可以進(jìn)行充電，必須是相同標(biāo)準(zhǔn)才可以。多種標(biāo)準(zhǔn)共存，如果傳輸協(xié)議稍有不同， 就會有不同的技術(shù)選擇，這對廠商及消費者的選擇都是一種考驗。因此，如何讓不同廠商的接收器、無線充電設(shè)備兼容，如何讓老設(shè)備也能夠用上無線充電技術(shù)，這 些都需要很長時間來解決的問題----這將由各大廠商在利益對弈中的實力所決定了！

傳輸效率和傳輸距離也是無線充電需要面對的另一個問題。 即便無線充電在使用上相當(dāng)方便，目前最大的缺點還是礙于充電效率偏低，由于無線電波將電能傳遞的過程中所耗損的能量較大，所以無線充電的距離都非常短，一 旦距離拉長，能量損耗也就更嚴(yán)重。雖然最近幾年，一些公司和組織另辟蹊徑，克服其中的種種挑戰(zhàn)，使能源傳輸效率達(dá)到了70%以上，終于讓無線充電實用化成 為了可能，但還有進(jìn)一步提高的潛力。另外在動態(tài)情況下如何保障整個系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性也是一個重要的問題，需要開發(fā)人員在未來進(jìn)行更加深入研究。

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