電話、電燈、電腦、電冰箱，風(fēng)馳電掣、電閃雷鳴、電光火石、電光朝露，不管是日常生活還是文學(xué)隱喻，電一直都是我們身邊不可或缺的工具。如果追溯歷史，第二次工業(yè)革命便是以電力的大規(guī)模應(yīng)用為代表，電燈的發(fā)明為標(biāo)志。

現(xiàn)代生活，電氣設(shè)施為我們的生活帶來了越來越多的便利，人們?cè)缫蚜?xí)慣了有電的生活。大到電腦、冰箱、空調(diào)、電車、動(dòng)車，小到手電筒、電動(dòng)牙刷、運(yùn)動(dòng)手環(huán)，一旦發(fā)生了“停電”或者“沒電”，就有人大呼“發(fā)生事故”，這反映了人們對(duì)缺少“電”的焦慮。而在這個(gè)人人必備手機(jī)的時(shí)代，人們很大一部分的焦慮則是來自手機(jī)電量低于20%的提示音。

我們使用電的方式主要由兩種，一種是來自直接對(duì)輸送來的電量進(jìn)行使用，而不是來自電量存儲(chǔ)設(shè)備，例如電冰箱、空調(diào)這些電器；一種是來自電量存儲(chǔ)設(shè)備（例如電池）的供電，如果電量存儲(chǔ)設(shè)備的電量告罄，我們還需要對(duì)其進(jìn)行充電，例如電動(dòng)車、手機(jī)等。

隨著用電器件的激增，越來越多的電線也讓我們?cè)絹碓綗┰?，它們相互纏繞，糾纏不清，于是人們就開始想，既然以前的網(wǎng)線現(xiàn)在都升級(jí)成無線WIFI了，那么我們的電線供電是否也可以轉(zhuǎn)成無線供電。其實(shí)，對(duì)于無線供電的探索在很早之前就已經(jīng)開始了。

一、無線的探索之途

對(duì)于無線供電的探索，最先做出巨大貢獻(xiàn)的一位人物便是在交流電領(lǐng)域聞名遐邇的美籍塞爾維亞裔科學(xué)家尼古拉·特斯拉。特斯拉在1891年發(fā)明特斯拉線圈，它是一種使用共振原理運(yùn)作的變壓器，主要用來生產(chǎn)高電壓、低電流、高頻率的交流電力。其實(shí)特斯拉線圈比較難以界定，因?yàn)樘厮估瓕?shí)驗(yàn)了大量的線圈配置。特斯拉利用這些線圈進(jìn)行了如電氣照明、螢光光譜、X射線、高頻率的交流電流現(xiàn)象、電療和無線電力等的實(shí)驗(yàn)，以便進(jìn)行電力傳輸。

尼古拉·特斯拉

1891年7月30日，35歲的特斯拉加入美國(guó)國(guó)籍，同年在紐約第五大道建立了自己的實(shí)驗(yàn)室。在那里他用機(jī)電振蕩器進(jìn)行了機(jī)械共振實(shí)驗(yàn)，使周圍的一些建筑物產(chǎn)生了共振。隨著速度的增加，他用儀器測(cè)出了房子的共振頻率。他還在紐約一些地方用無線電點(diǎn)亮了那里的電燈，為無線傳輸?shù)目赡苄蕴峁┝俗C據(jù)。這也是無線供電開始被研究的重要節(jié)點(diǎn)。

1899年，特斯拉決定遷往可以讓他有做高頻高壓實(shí)驗(yàn)的地方——科羅拉多州的斯普林斯，并開始在那兒進(jìn)行研究。到達(dá)后不久他向記者說，他正在做將訊號(hào)從派克斯峰（附近的一座山）送到巴黎的無線傳輸實(shí)驗(yàn)，即特斯拉正在研究如何無線傳輸能量與電力。

通過幾個(gè)月的研究，1900年，特斯拉決定在紐約長(zhǎng)島興建一座進(jìn)行跨大西洋無線電廣播和無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)的“特斯拉線圈”——沃登克里弗無線傳輸電能塔。特斯拉想基于這個(gè)塔為將來實(shí)現(xiàn)對(duì)全球無線設(shè)備進(jìn)行無線供電的設(shè)想提供基礎(chǔ)。

遺憾的是，1901年12月12日，馬可尼完成了跨大西洋的無線電傳送實(shí)驗(yàn)，由于馬可尼趕在特斯拉之前成功完成了實(shí)驗(yàn)，摩根停止了對(duì)特斯拉實(shí)驗(yàn)的資助。1903年，特斯拉陷入了財(cái)政危機(jī)。1912年，沃登克里弗塔也被拆除。雖然這個(gè)實(shí)驗(yàn)失敗了，但是特斯拉為無線供電提供的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，為將來的無線供電的實(shí)現(xiàn)提供了非常大的幫助。

沃登克里弗塔

現(xiàn)在讓我們來到2007年。MIT有一個(gè)叫做WiTricity的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目小組，它由Marin Soljai教授領(lǐng)導(dǎo)。這個(gè)研究小組的研究對(duì)象是磁耦合共振技術(shù)。2007年，Marin Soljai教授和他的助手在距離2米的情況下成功實(shí)現(xiàn)了首次高效的非輻射功率轉(zhuǎn)換，點(diǎn)亮一個(gè)60瓦的燈泡。能量轉(zhuǎn)移效率高達(dá)40％。此次試驗(yàn)也被認(rèn)為是第一次現(xiàn)代意義上的無線供電。

MIT無線輸電實(shí)驗(yàn)

Soljai教授在無線能量傳輸方面的實(shí)驗(yàn)和工作與20世紀(jì)早期特斯拉的工作相關(guān)，但也有顯著差異：與特斯拉在科羅拉多州的遠(yuǎn)程無線能量傳輸不同，WiTricity小組只關(guān)注短距離傳輸，運(yùn)用的是磁感應(yīng)方式，而特斯拉運(yùn)用的是磁共振方式。

后來受這個(gè)小組的啟發(fā)，WiTricity公司成立。該公司主要研發(fā)無線輸電技術(shù)，已經(jīng)與汽車制造商奧迪、寶馬、克萊斯勒、捷豹、日產(chǎn)和豐田合作。

2009年，WiTricity公司的新技術(shù)由CEO Eric Giler在牛津舉辦的TED大會(huì)上展出。這次大會(huì)上，其展示了對(duì)一臺(tái)電視和三部手機(jī)進(jìn)行同時(shí)無線供電。

二、無線的傳輸之道

無線供電的歷史就介紹到這里，下面我就來看看這個(gè)過程到底是怎么完成的。上文提到，用電主要由兩種方式，無線供電也是同樣的道理，可以分為無線輸電和無線充電，由于兩者只是在電能使用方式上有差別，下面我們便以無線充電為例對(duì)無線供電原理進(jìn)行介紹與講解。

上面講到，MIT成功完成了2米距離的無線電力傳輸實(shí)驗(yàn)。對(duì)于無線充電技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化便成為了需求，而且一旦標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)于無線充電技術(shù)的大規(guī)模研發(fā)和使用也將起到重大的推動(dòng)作用。

2009年1月，WiPower公司制定了磁共振A4WP標(biāo)準(zhǔn)，支持高達(dá)50W的功率傳輸，距離可達(dá)5厘米，功率傳輸頻率為6.78MHz。

2010年7月，Wireless Power Consortium（WPC）制定磁感應(yīng)Qi標(biāo)準(zhǔn)。制定了5W或更小的移動(dòng)終端的標(biāo)準(zhǔn)。

2012年1月，IEEE發(fā)布磁感應(yīng)PMA標(biāo)準(zhǔn)。

2015年9月，A4WP與PMA合并成AirFuel Alliance（AFA），推動(dòng)統(tǒng)一無線充電標(biāo)準(zhǔn)。

至此，在無線充電領(lǐng)域便形成了兩大標(biāo)準(zhǔn)體系，WPC的Qi標(biāo)準(zhǔn)，以及AFA的AirFuel Resonant（A4WP標(biāo)準(zhǔn)）和AirFuel Inductive（PMA標(biāo)準(zhǔn)）。

雖然是兩大標(biāo)準(zhǔn)，但是在基本的原理上卻有相似的部分。Qi標(biāo)準(zhǔn)與AirFuel Inductive標(biāo)準(zhǔn)相似程度很高，均使用磁感應(yīng)技術(shù)，兼容性比較高；而AirFuel Resonant則與前兩者完全不同，使用的是磁共振技術(shù)。因此我們不需要把WPC和AFA完全對(duì)立，因?yàn)闊o論充電器還是接收器在選擇標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)候，最先考慮的可能是使用磁感應(yīng)還是磁共振技術(shù)。

無線充電技術(shù)分類

無線充電方式主要分為非放射性和放射性兩大類型。其中放射性分為電波（微波）式和激光式，非放射性分為磁耦合式和電耦合式，現(xiàn)在主流方式是通過磁耦合式進(jìn)行電力傳輸，磁耦合式則包含上面提到的電磁感應(yīng)式與磁共振式兩種方式。下面將主要介紹這兩種方式，并簡(jiǎn)要介紹其他的無線充電方式。

不管是磁感應(yīng)式是還是磁共振式，依靠的原理都是電磁感應(yīng)。電磁感應(yīng)是發(fā)電機(jī)、變壓器等多數(shù)電力設(shè)備操作的基礎(chǔ)。邁克爾·法拉第一般被認(rèn)定為于1831年發(fā)現(xiàn)了感應(yīng)現(xiàn)象的人。

電磁感應(yīng)是指放在變化磁通量中的導(dǎo)體，會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。此電動(dòng)勢(shì)稱為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或感生電動(dòng)勢(shì)，若將此導(dǎo)體閉合成一回路，則該電動(dòng)勢(shì)會(huì)驅(qū)使電子流動(dòng)，形成感應(yīng)電流（感生電流）。也就是我們通常所說的變化的磁場(chǎng)形成電場(chǎng)，可以簡(jiǎn)述為磁生電。磁生電的定量關(guān)系則由法拉第電磁感應(yīng)定律給出。我們平時(shí)看到的交流電變壓器也正是用的這個(gè)原理。變壓器還用到了電流的磁效應(yīng)，即電流周圍會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的電流產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，簡(jiǎn)述為電生磁。電生磁現(xiàn)象則是由丹麥物理學(xué)家、化學(xué)家漢斯·克里斯蒂安·奧斯特于1820年發(fā)現(xiàn)。

1.磁感應(yīng)式無線充電

電磁感應(yīng)示意圖

上圖則簡(jiǎn)單描述了這個(gè)過程。左邊的線圈通變化的電流，變化的電流產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，中間鐵圈則是為了鎖磁（即減少漏磁），右邊的線圈感受到變化的磁場(chǎng)，則產(chǎn)生了電流，右邊的電流表則會(huì)有指針波動(dòng)。這就是變壓器的基本實(shí)現(xiàn)原理，兩遍線圈匝數(shù)的不同則可以實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換。

現(xiàn)在我們把上面的鐵圈去掉，把左右兩邊線圈拍扁壓平，接收線圈放在手機(jī)背面，發(fā)射線圈連接電源，我們就得到了一個(gè)原始的無線充電裝置。第一代的磁感應(yīng)無線充電器便是這么來的。

我們將發(fā)射線圈以及接收線圈的電感分別設(shè)為L(zhǎng)1、L2，兩個(gè)線圈間的互感設(shè)為M，磁耦合程度以耦合系數(shù)k表示，則可成立以下公式：

兩個(gè)線圈的電感與互感存在L1L2≧M2的關(guān)系，為此耦合系數(shù)的數(shù)值在0≦k≦1的范圍中。在沒有漏磁通的理想情況下，耦合系數(shù)為1，這種情況稱為全耦合，但實(shí)際情況中數(shù)值均在1以下，且線圈間的距離越大，漏磁通會(huì)越多，從而導(dǎo)致耦合系數(shù)下降，最終將會(huì)變?yōu)?。

磁感應(yīng)式無線充電示意圖

我們上文提到的MIT實(shí)驗(yàn)便是運(yùn)用的磁感應(yīng)式無線充電。磁感應(yīng)無線充電的優(yōu)點(diǎn)是，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)容易，系統(tǒng)成本相對(duì)便宜，可以小型化。但是缺點(diǎn)是磁感應(yīng)式無線充電因?yàn)槿鄙倭舜判圆牧系氖`，發(fā)射線圈的部分磁通就不會(huì)經(jīng)過接收線圈，這稱為耦合度低。所以在充電中，線圈之間需保持較近距離，這是因?yàn)榫€圈之間距離越大，部分磁通將會(huì)變?yōu)槁┐磐ǘ鵁o法進(jìn)行傳輸，從而導(dǎo)致兩個(gè)線圈的磁耦合減弱。所以如果給手機(jī)充電，需要手機(jī)和無線充電器對(duì)齊貼緊。否則會(huì)遇到手機(jī)明明放在充電器上了，一覺醒來沒有充進(jìn)電的尷尬。

2.磁共振式無線充電

磁共振式無線充電示意圖

磁共振式無線充電器則是用諧振器件（電感和電容）使發(fā)射端和接收端達(dá)到特定頻率，從而產(chǎn)生磁場(chǎng)共振，進(jìn)而傳輸能量，即發(fā)射側(cè)與接收側(cè)的諧振頻率一致后進(jìn)行電力輸送的方式。這個(gè)原理與聲音的共振原理相同。初中的時(shí)候我們都做過這樣的實(shí)驗(yàn)，排列好振動(dòng)頻率相同的音叉，一個(gè)發(fā)聲的話，其他的也會(huì)共振發(fā)聲。同樣，排列在磁場(chǎng)中的相同振動(dòng)頻率的線圈，也可用一個(gè)向另一個(gè)供電。

磁共振式無線充電概念圖

通常我們使用的諧振器件是LC諧振電路，是包含一個(gè)電感（用字母L表示）和一個(gè)電容（用字母C表示）連接在一起的電路。振蕩電路中發(fā)生電磁振蕩時(shí)，如果沒有能量損失，也不受其他外界的影響，這是電磁振蕩的周期和頻率，叫做振蕩電路的固有頻率和固有周期。固有周期可以用下式求得：

所以當(dāng)送電線圈通上了電源，和送電線圈具有相同固有頻率的受電線圈則會(huì)感應(yīng)出電流，這樣就實(shí)現(xiàn)了電能的傳遞。之前介紹的TED展示和法拉第的大部分試驗(yàn)，均是基于磁共振的無線充電。

這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于，可拉大線圈的對(duì)置距離，同時(shí)，即使線圈之間中心稍稍發(fā)生偏移的情況下也可進(jìn)行電力傳輸，因此也可以用來同時(shí)為多臺(tái)移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行充電。但是缺點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)困難，系統(tǒng)成本相對(duì)昂貴，而且難以小型化。

3.無線充電一般步驟

一般無線充電步驟分為：檢測(cè)、通信、供電三個(gè)階段。

（1）檢測(cè)階段：識(shí)別可供電設(shè)備及異物（FOD）。當(dāng)接收器放置在發(fā)射器工作范圍內(nèi)，發(fā)射器檢測(cè)是否是一個(gè)接收器靠近。

（2）通訊階段：進(jìn)行身份認(rèn)證。發(fā)射器發(fā)送數(shù)據(jù)包，并且為接收器供電啟動(dòng)接收器，之后接收器回復(fù)響應(yīng)數(shù)據(jù)完成身份的認(rèn)證。

（3）充電階段：進(jìn)行電能傳輸。在身份認(rèn)證后，發(fā)射器根據(jù)接收器的設(shè)備類型，選擇相應(yīng)的功率等參數(shù)，為接收器充電。

以Qi標(biāo)準(zhǔn)為例，整體流程如下：

磁共振式無線充電概念圖

通常我們使用的諧振器件是LC諧振電路，是包含一個(gè)電感（用字母L表示）和一個(gè)電容（用字母C表示）連接在一起的電路。振蕩電路中發(fā)生電磁振蕩時(shí)，如果沒有能量損失，也不受其他外界的影響，這是電磁振蕩的周期和頻率，叫做振蕩電路的固有頻率和固有周期。固有周期可以用下式求得：

所以當(dāng)送電線圈通上了電源，和送電線圈具有相同固有頻率的受電線圈則會(huì)感應(yīng)出電流，這樣就實(shí)現(xiàn)了電能的傳遞。之前介紹的TED展示和法拉第的大部分試驗(yàn)，均是基于磁共振的無線充電。

這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于，可拉大線圈的對(duì)置距離，同時(shí)，即使線圈之間中心稍稍發(fā)生偏移的情況下也可進(jìn)行電力傳輸，因此也可以用來同時(shí)為多臺(tái)移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行充電。但是缺點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)困難，系統(tǒng)成本相對(duì)昂貴，而且難以小型化。

3.無線充電一般步驟

一般無線充電步驟分為：檢測(cè)、通信、供電三個(gè)階段。

（1）檢測(cè)階段：識(shí)別可供電設(shè)備及異物（FOD）。當(dāng)接收器放置在發(fā)射器工作范圍內(nèi)，發(fā)射器檢測(cè)是否是一個(gè)接收器靠近。

（2）通訊階段：進(jìn)行身份認(rèn)證。發(fā)射器發(fā)送數(shù)據(jù)包，并且為接收器供電啟動(dòng)接收器，之后接收器回復(fù)響應(yīng)數(shù)據(jù)完成身份的認(rèn)證。

（3）充電階段：進(jìn)行電

能傳輸。在身份認(rèn)證后，發(fā)射器根據(jù)接收器的設(shè)備類型，選擇相應(yīng)的功率等參數(shù)，為接收器充電。

以Qi標(biāo)準(zhǔn)為例，整體流程如下：

磁共振式無線充電概念圖

通常我們使用的諧振器件是LC諧振電路，是包含一個(gè)電感（用字母L表示）和一個(gè)電容（用字母C表示）連接在一起的電路。振蕩電路中發(fā)生電磁振蕩時(shí)，如果沒有能量損失，也不受其他外界的影響，這是電磁振蕩的周期和頻率，叫做振蕩電路的固有頻率和固有周期。固有周期可以用下式求得：

所以當(dāng)送電線圈通上了電源，和送電線圈具有相同固有頻率的受電線圈則會(huì)感應(yīng)出電流，這樣就實(shí)現(xiàn)了電能的傳遞。之前介紹的TED展示和法拉第的大部分試驗(yàn)，均是基于磁共振的無線充電。

這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于，可拉大線圈的對(duì)置距離，同時(shí)，即使線圈之間中心稍稍發(fā)生偏移的情況下也可進(jìn)行電力傳輸，因此也可以用來同時(shí)為多臺(tái)移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行充電。但是缺點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)困難，系統(tǒng)成本相對(duì)昂貴，而且難以小型化。

3.無線充電一般步驟

一般無線充電步驟分為：檢測(cè)、通信、供電三個(gè)階段。

（1）檢測(cè)階段：識(shí)別可供電設(shè)備及異物（FOD）。當(dāng)接收器放置在發(fā)射器工作范圍內(nèi)，發(fā)射器檢測(cè)是否是一個(gè)接收器靠近。

（2）通訊階段：進(jìn)行身份認(rèn)證。發(fā)射器發(fā)送數(shù)據(jù)包，并且為接收器供電啟動(dòng)接收器，之后接收器回復(fù)響應(yīng)數(shù)據(jù)完成身份的認(rèn)證。

（3）充電階段：進(jìn)行電能傳輸。在身份認(rèn)證后，發(fā)射器根據(jù)接收器的設(shè)備類型，選擇相應(yīng)的功率等參數(shù)，為接收器充電。

以Qi標(biāo)準(zhǔn)為例，整體流程如下：

Qi標(biāo)準(zhǔn)無線充電流程

需要說明的是，不管是磁感應(yīng)式還是磁共振式，受電線圈感應(yīng)出來的都是交流電，因?yàn)槲覀冎v解的是無線充電，所以感應(yīng)出來的交流電需要給電池這樣的電能存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行充電，充電則需要直流電，所以在受電裝置中都會(huì)有整流和濾波電路，對(duì)交流電進(jìn)行整流與濾波，經(jīng)過處理后的電流便可以給電池充電了，以上便是無線充電的完整過程。

所以從以上的分析看來，不管是磁感應(yīng)還是磁共振，都是既有各自的優(yōu)點(diǎn)也有各自的缺陷，在可供電距離、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)難易度、系統(tǒng)成本、產(chǎn)品尺寸、同時(shí)充電臺(tái)數(shù)、充電功率、頻率、效率等方面并沒有一個(gè)是可以完全滿足我們?cè)诟鱾€(gè)場(chǎng)景下都可以通用的要求，所以現(xiàn)在的無線充電還是處于一個(gè)比較尷尬的境地。

盡管無線充電目前還是只在一些特定的領(lǐng)域發(fā)揮著作用，而且即使在各自的領(lǐng)域也面臨著一些問題，但是我們相信，隨著應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展與標(biāo)準(zhǔn)的完善，無線充電的運(yùn)用領(lǐng)域與場(chǎng)景也會(huì)越來越廣闊，畢竟少一些電線對(duì)于強(qiáng)迫癥來說真是太大的福音了。