[讨论] 无线供电技术展望:无线的最后一公里

我们曾经为大家介绍过未来高速数据接口的发展趋势，其中高速无线数据传输已经在其中占据了非常重要的位置。它们使我们桌面上的线缆越来越少，然而电源线一直是电子产品无法抛弃的羁绊。本期我们为大家介绍的技术将彻底剪断这个小尾巴。


今年8月17日，无线充电联盟公布了0.95版无线充电技术规范以供联盟成员审阅，并宣布将在2009年9月15至17日举办联盟成员兼容性测试大会（plugfest），会上将对采用该标准的产品进行原型测试。而且无线充电联盟还正式公布了首个国际无线充电标准的标志——Qi，这个标志在亚洲哲学体系中象征着“生命能量”。这些消息标志着消费电子产品的无线充电变革即将来临，也标志着我们离甩掉大大傻傻的充电器的日子不远了。

实际应用案例
无线充电除了摆脱累赘的输电线路外，另外一个重要作用是在不适宜安装供电线缆的环境下提供能源，下面介绍的几个案例就是已经应用或即将应用的无线供电案例。

1.为视网膜供电

日本东北大学研究生院工程学研究系教授小柳光正领导的研究小组，试制出可从外部向植入眼球的人工视网膜用LSI无线供电的系统。该系统使用电磁感应型无线供电方式。配备有小型电池，通过嵌入眼镜透镜的一次线圈，以电磁感应方式，向眼球透镜——水晶体中嵌入的二次线圈供电。这种供电系统遇到的难题主要在于电磁波的频率，如果频率超过100MHz而接近GHz，电磁波会使眼球发热。而频率只有3M～4MHz时，又会违反电波法的规定。因此，他们最终选择了RFID标签（无线标签）使用的13.56MHz频率。另外他们还要将整体功耗控制在50mW以下，否则眼球细胞的温度会因提升超过3℃而受损。

2.无线摄相机

NEC开发出了只要在荧光灯管上安装环状供电装置就可以实现供电的无线摄相机。只要有照明用直管型荧光灯，无需设置电源就可以构筑影像系统。该系统利用荧光灯内部的交流电源（45k～100kHz）所产生的磁场，通过电磁感应原理获得电力。此次开发的无线摄相机在120mW下工作。可以根据荧光灯的供电来自动控制影像拍摄的频率，拍摄的图像还可以通过IEEE802.11b标准的无线网络进行发送。

3.无线充电底座

在今年的CES2009上，至少有3家厂商对外展示了其专为移动设备设计的无线充电底座。这些产品都采用了电磁感应技术。除了Plam Pre的无线充电器外，还有由Fulton公司推出的iPhone充电器，该充电器采用仿木质的外形设计，由于并非原厂附件，要使用该设备对iPhone进行充电，需要将iPhone电池更换为专用电池。而PowerMat公司则推出了针对不同移动设备的无线充电器，可以对手机、蓝牙耳机、5号电池进行充电。不过这些设备都需要安装在专用的底座上才可以进行充电。

4.无线充电城市

最近，日本总务省为推动实现家庭内的电气化产品不用外接电源即可实现无线电电力供给的家电无线化实用项目，组织召开了有关人员参加的电波频带分配、电磁辐射安全等研讨会。为实现2015年无线供电家电进入实用化阶段的目标，总务省将今后重点推进无线供电家电对人体影响的安全性调查论证。目前总务省正在组织对三种技术方式：电磁感应、电磁波发射、磁场共振进行效率性、安全性的比对测试，在确认不存在问题时，进行频率的分配，从而稳步推动家电产品无线化进入高效安全的实用化阶段。

无线供电，从百年前谈起
虽然这个栏目专门定位于向大家介绍最前沿的IT技术，但是我们今天提到的无线充电技术却不得不从一百多年前谈起。在一百多年前，当爱迪生还在大肆鼓吹并建立他的直流电供电帝国时，他当年的跟班尼古拉·特斯拉却发明了交流电马达，而且这个老兄认为，交流电更适于整个城市的供电系统，因此他开始尝试用交流电来营造整个城市的供电体系。最终尼古拉·特斯拉和他的交流电打败了爱迪生，也建立我们现在整个世界的供电系统。



在交流电上的一战成名，虽然没给特斯拉带来巨大的经济利益（当初交流电发展窘迫，特斯拉放弃了自己的专利利益），但是却给他带来了足够的名气。让他有能力吸引风险投资商。搞定了全世界的有线供电问题，特斯拉又高瞻远瞩地看到电线是如此多余，自1890年起开始构想无线输电的方案，决心设计无线供电系统。

1900年，特斯拉得到了150,000美金的研究经费（51%来自于J.P.摩根），并开始计划建造华登克里夫塔（Wardenclyffe Tower），这个塔一度被当时的报纸称为“特斯拉的百万大建筑”，特斯拉希望用这个塔进行跨大西洋的无线电广播和无线电能传输实验。有了钱的特斯拉最终建成了一座高187英尺的铁塔，铁塔顶部有一个直径为68英尺的半球型圆顶。铁塔尚未完工，特斯拉就迫不及待地开始了他的实验。甚至有人怀疑，1908年的通古斯大爆炸也与特斯拉的华登克里夫塔有关，由于纽约市民关于华登克里夫塔实验现象的描述和通古斯事件目击者观察到的征状相符，同时在通古斯大爆炸前后，特斯拉曾多次到图书馆查阅中西伯利亚地区的地图。通古斯大爆炸之后，特斯拉停止了无线电能传输实验。后来因为摩根的撤资，特斯拉陷入了经济困难，华登克里夫塔也被拆除抵债。

尽管特斯拉的研究最终没有结果，但是他当初的无线输电构想绝对是足够大胆。他把地球作为内导体、距离地面约60km的电离层作为外导体，在地球与电离层之间建立起大约8Hz的低频共振，再利用环绕地球的表面电磁波来远距离传输电力，最终可以实现向全球供电的目的。这一构想从理论上讲是完全可行的，不过至今没有人根据这一理论制作出样品。毕竟这种向全球免费供电的大公无私想法不会有多少电厂会接受，电线钱是省下了，但是电费找谁收呢？

电磁感应，身边的无线充电

其实，无线充电并不是什么新鲜的事物，它一直存在于我们身边，基于电磁感应原理设计的非接触性供电产品早已走入千家万户。

最早的无线供电技术依托于电子达人迈克尔·法拉第在1831年发现的电磁感应理论，这促成了最早的近距离无线供电技术投入实际应用。1885年根据这种原理制作的变压器至今仍在使用，随便拆开一个家用变压器，就可以看到变压器里会有两组导线缠在一个铁芯框架上，但它们彼此并没有直接相连，完全依靠空气中的电磁感应传输能量。


而到了现代社会，这种电磁感应式的无线供电系统得到了更加广泛地应用，最早使用电磁感应原理的是电动牙刷。电动牙刷经常接触水，无法采用直接充电的方案。电动牙刷在充电座和牙刷中各有一个线圈，当牙刷放在充电座上时就有磁耦合作用，类似一个变压器，感应电压整流后就可对镍镉电池充电，整个电路消耗功率约3W。除此之外，我们使用的公交卡，第二代身份证和很多可以记录信息的卡片都采用了无线供电技术。这类卡片都拥有类似的内部结构，一小块芯片和一个线圈。卡片中的整个电路部分并不包含任何供电的模块，当我们将这个卡在读卡机上晃动时，读卡机周围会形成一个快速变化的磁场，卡片中的线圈在进入这个磁场时就会产生感应电流，这个电流就可以给内部的芯片供电，芯片就可以对外发射信号，将自身的信息发送给读卡器。接下来读卡器就可以判断出目前卡中有多少余额，并完成扣款操作。

使用电磁感应来进行无线供电虽然是非常成熟的技术，但是这种输电技术会受到很多限制。其中最严重的就是低频磁场会随着距离的增加而快速衰减。如果要增加供电距离，只能加大磁场的强度。然而，磁场强度太大一方面会增加电能的消耗，另一方面可能会导致附近使用磁信号来记录信息的设备失效，例如银行卡上的磁条会彻底损坏。此外，电磁感应是将线圈中的电流直接以电磁波形式进行1cm以下的近距离收发，由于电磁波是向四面八方辐射而大量散失，因此效率较低，通常它只适合相互“贴着”的小功率电子产品。

演进，电磁感应桌面

虽然电磁感应无线供电技术已经被应用得非常广泛，但是仍旧有一些演进和发展。最典型的就是微软亚洲研究院最近几年仍在研发的无线供电桌面。这个桌面基于电磁感应原理，供电桌面由很多小线圈组成，构成了一个供电线圈矩阵，其中每个线圈都有独立的开关控制是否导通。供电桌面只对负载设备下面的一小块区域的线圈供电，其他没有负载的区域将不会发射电能。当桌面上没有负载设备时，整个供电线圈矩阵的每个线圈都是被关闭的。这样不仅增加了系统的效率，而且降低了电磁辐射。



微软对电磁感应供电技术最重要的演进在于如何判断桌面上存在需要充电的负载。也就是如何检测出桌面上是否放置了负载设备，并能判断出负载设备放在什么位置。微软在原有的充电设备上加入了RFID（Radio Frequency Identification）定位技术。为每个需要充电的负载设备都嵌入了RFID标签，每个标签对应一个设备ID号。供电桌面内除了有供电线圈矩阵外，还有定位线圈矩阵和RFID检测器，用来读取负载设备的RFID标签ID，判断出负载设备是否存在，如果存在则判断出它在定位线圈矩阵中的位置。没有内嵌具有合法数据的RFID标签的物体，比如杯子、人手等，供电桌面不会向它所在的区域供电，保证了检测的可靠性和使用的安全性。RFID标签内除了含有设备ID外，设备的功率需求，负载设备电池是否已被充满等信息也可以通过RFID传输给供电桌面，同时供电桌面的信息也可以传输给移动设备。通过双向数据通信，增加了系统的智能性。

为了应对无线供电的电磁辐射，供电桌面线圈矩阵的下面和设备模块接收线圈的上面及四周均包裹着磁性材料和金属材料，并在内部形成了封闭式的闭合磁路，极大地降低了泄漏出来的电磁辐射，并提高了系统效率。检测负载设备位置时用的RFID是在超近距离下工作，采用了较微弱的信号。目前，无线供电桌面原型板长度和宽度均是30cm，系统整体效率约为50%～60%，而整体效率仍在努力提高中。

[ 本帖最后由 xtss 于 2010-4-28 22:21 编辑 ]

远距离，超越大气层的距离

电磁感应方式的无线充电存在一个致命的缺陷，就是距离太短。随着距离的增加，充电过程中的电能损耗将变得非常大。其实除了电磁感应外，还有其他无线的能量载体可以供我们使用，最典型的就是电磁波。

电磁波，俗称无线电波，它是人们非常熟悉的一个东西。正是由于它被发现，才奠定了广播、电视和现代通信技术的基础。电磁波不仅能传输信号，它也能传输电能，特别是微波的能量传输能力最强。微波是指那些频率在300MHz到300KMHz之间的电磁波，它的波长在1m到1mm之间。因为电磁波的频率越高，能量就越集中，方向性也越强。因此，使用微波来进行无线能量传递也是一种可行的办法。通过硅整流二极管天线将微波转换成电能，转化效率可以高达95%以上。



在1968年，美国航天工程师彼得·格拉泽就已经提出了空间太阳能发电（SSP，Space Solar Power）的概念。他设想在大气层外通过卫星收集太阳能进行发电，然后通过微波将能量无线传输回地面，并且重新转化成电能使用。这一设想要把能量从三万多公里之外的太空精确地射向地面接收站。在太空，不存在地面上接收太阳能所必然面临的照射时间、气候、重力等问题，每年有277天可以全天接受日照，而被地球遮挡时，最长停电时间也不过75分钟。而且转换的效率也将比地面上同样规模的太阳能电站高出10倍左右。

1977~1980年，美国宇航局和能源部共同出资，对空间太阳能发电的问题进行了概念研究，得出结论：这种方式不存在不可克服的技术困难。但是后来这个计划因为耗资巨大而一度搁浅。目前把物品送上太空还是很花钱的，要在太空中组装一颗收集太阳能来发电的卫星，成本更令人难以接受。不过，随着地球上不可再生资源的逐渐消耗，这个计划又看到了曙光，已经有些国家开始小规模的实验，来验证在大气内进行微波能量传递以及从太空向地面发射微波束的实际效果。据乐观估计，2010～2020年太阳能发电卫星就可以进入实用阶段。

目前，加拿大科学家也在计划制造一架借助微波飞行的无人飞机，飞行高度33km，可以在空中连续飞行几个月。这可能是世界上第一架可以真正投入使用的远程供电飞机，它本身不携带燃料，而是从地面的微波站中获取能量。在这架无人机起飞之后，地面的高功率发射机通过天线将发射机所产生的微波能量汇聚成能量集中的窄波束，然后将其射向高空飞行的微波飞机。微波飞机通过将微波转换成直流电带动飞机的螺旋桨旋转。没有了燃料的羁绊，这种飞机的有效载荷将会大大提升。

目前离我们最近的电磁波输电技术来自美国一家名为Power Cast的公司，该技术可以为各种电子产品充电或供电，如手机、MP3等等。整个系统主要包含了两个部件，即Power Caster的发射器模块和接收器模块，前者可插在插座上，后者则嵌入在电子产品上。发送器发射安全的低频电磁波，接收器接收电磁波，据称约有70%的电磁信号能量可以转换为直流电能。该项技术的最大特点在于，它独特的电磁波接收装置，能够根据不同的负载、电场强度来作调整，以维持稳定的直流电压，这也表示在空中乱喷的电磁波功率，能够被减到最低。无线能量传输的方向性也更容易得到控制，即使是从墙上回弹回来的电磁波能量也可以被接收。另外与其他厂商的产品相比，Power Cast公司的产品造价低廉，基本接收装置成本只需5美元。只需要一个安装在插座上的发送器，以及可以安装在任何低电压产品上的“蚊型”接收器，就可以把无线电波转化成直流电，在约1m范围内为不同电子装置的电池充电。Power Cast声称已与生产手机、MP3、汽车配件、体温表、助听器及人体植入仪器等逾百家公司签署了合作协议。

共振输电，从高音歌唱谈起

除了目前已经广为人知的电磁感应和微波无线输电技术外，最近几年又出现了一种新的无线输电技术，这项技术传输能量依靠了共振的原理。

共振是一种非常高效的传输能量方式。共振进行的能量传输甚至可以引起的铁桥坍塌、雪崩等灾害，高音歌唱家唱歌时引发的共振可以震碎身边的玻璃杯。这一原理的基本含义就是：两个振动频率相同的物体之间可以高效传输能量，而对不同振动频率的物体几乎没有影响。



2007年6月，麻省理工大学的物理学助理教授马林·索尔贾希克和他的研究团队公开做了一个演示。他们给一个直径60厘米的线圈通电，点亮了大约2m之外连接在另一个线圈上的60瓦灯泡。这项被命名为“WiTricity”的技术就是运用了共振的原理，通过一个磁共振系统进行电能传输。

普通的电磁感应技术被用于短距离无线电力传输，因为磁场能量会随距离的增加而迅速衰减，因而在传统的磁感应中，距离只能通过增强磁场强度来增加。与此不同，Witricity使用匹配的谐振天线，可使磁耦合在几英尺的距离内发生，而不需要增强磁场强度。在这项技术中，发送端和接收端的线圈被调校成了一个磁共振系统，通电后能够以10兆赫兹的频率振动。当发送端产生的振荡磁场频率和接收端的固有频率相同时，接收端就产生共振，从而实现了能量的传输。根据共振的特性，能量传输都是在这样一个共振系统内部进行，对这个共振系统之外的物体不会产生什么影响。这个原理就像是几个厚度不同的玻璃杯不会因为同一频率的声音而同时炸碎一样。

这个技术的优势在于，当发射端通电时，它并不会向外发射电磁波，而只是在周围形成一个非辐射的磁场。这个磁场用来和接收端联络，激发接收端的共振。因此在传输能量时的损耗可以做到更小。它所消耗的电能只有传统电磁感应供电技术的百万分之一。而且在远距离电力传输时，这项技术产生的磁场也更小，强度只和地球磁场强度相似，完全不用担心会产生什么不良影响。

2008年8月在英特尔开发者论坛（IDF，Intel Developer Forum）上，西雅图实验室的约书亚·史密斯（Joshua R. Smith）领导的研究小组在“磁耦合共振”的基础上更进了一步，英特尔的展示模型不仅可以成功点亮了一个一米开外的60瓦灯泡，而且传输效率达到了75%。据麻省理工大学的马林小组称，目前他们已经将传输效率提高到了90%。这意味着，该技术已经具备了实用化的条件。不过，该技术仍旧面临着一些问题，目前使用的铜线圈非常笨重，足有0.6米高，如果要想实现整座房间内的电器都能自动充电，铜丝线圈的直径预计将达2.1米。因此，该技术下一步的研发目标是在提高传输效率的同时缩小发射端和接收端的体积，并将目前最远仅有2.7米的传输距离扩大。这些问题希望可以再未来的3到5年内解决。