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作者：春波綠影 對于無線充電，大家了解得最多的應(yīng)該是WPC推動的Qi標(biāo)準(zhǔn)，另外還有來自A4WP和PMA的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，然而這幾大聯(lián)盟雖然能夠?qū)崿F(xiàn)無線充電，但由于都是采用電磁感應(yīng)實現(xiàn)電力傳輸，因此有著各種各樣的制肘。就拿應(yīng)用最廣的Qi標(biāo)準(zhǔn)來說，在實施無線充電的時候，不但對手機的擺放距離有要求，同時在手機的擺放位置上要求都比較苛刻。就方便應(yīng)用來說，這種充電方式未免能夠吸引更多的消費者的興趣。 而美國WiTricity公司早前推出的無線充電技術(shù)則可以完全解決這些問題，由于采用了磁共振的無線充電技術(shù)，它允許手機離開充電器的一段距離充電，同時對位置要求要沒那么嚴(yán)格，同時還可以同時為多款設(shè)備充電。而它能做到的不僅僅是充電。難道這才是無線充電的未來？ Witricity的前世今生 代號為“Witricity”的技術(shù)最早是由美國MIT助理教授Marin Soljacic發(fā)明的，他并在前幾年的美國物理研究所舉行的工業(yè)物理論壇上介紹了這一成果，據(jù)之前的展示，他們可以達成了透過無線充電的方式點亮兩公尺外的60W燈泡的初步目標(biāo)。之后該技術(shù)相關(guān)團隊就從MIT獨立出來成立了同名的Witricity公司。 不同于Qi等標(biāo)準(zhǔn)的電磁感應(yīng)式充電，Witricity是以磁場共振的方式來實現(xiàn)無線供電。而實現(xiàn)無線傳輸電力的關(guān)鍵在于磁場耦合共振器（Magnetically Coupled Resonator），也就是圖1中左右兩端的線圈裝置，同種的共振器是一對用6毫米銅線纏繞5.25圈，具備電感電容（LC）特性的線圈型天線，其LC共振頻率為9.90MHz。 
圖1 這個技術(shù)的關(guān)鍵在于非輻射性磁耦合的使用�！皟蓚�相同頻率的諧振物體將會產(chǎn)生很強的相互耦合，而只有與遠(yuǎn)離諧振環(huán)境的物體有較弱的交互，” Soljacic表示，“正是物理原理實現(xiàn)了非輻射性無線能量的傳輸�！� 目前，磁耦合被用于短距離范圍，以對電池進行充電，如在電子牙刷中，但它要求正在充電的設(shè)備非�？拷袘�(yīng)線圈，這是因為磁場能量隨著距離變大會迅速丟失。在傳統(tǒng)的磁感應(yīng)中，距離只能通過增加磁場強度來增加。 另一方面，WiTricity使用匹配的諧振天線，可使磁耦合在幾英尺的距離內(nèi)發(fā)生，而不需要增強磁場強度。其它組織則演示了較長距離的射頻無線功率傳輸，但傳輸?shù)墓β手挥袔孜⑼叩綆缀镣摺?br /> 演示裝置（圖2）包括直徑約為3英尺的匹配的銅線圈，以及與電源相連的工作頻率在兆赫范圍的傳輸線圈。接收線圈在非輻射性磁場內(nèi)部發(fā)生諧振，并以相同的頻率振蕩，然后有效地利用磁感應(yīng)來點亮燈泡。
圖2 Soljacic在燈泡演示中讓他的整個設(shè)計團隊成員站在發(fā)送和接收天線之間，這表明諧振天線甚至其間有有物理存在時也能保持耦合。燈泡繼續(xù)發(fā)光，而不受障礙物的影響。該團隊聲稱，如果沒有匹配天線產(chǎn)生的諧振，那么將會有一百萬多倍的能量被用在傳輸線圈中，以實現(xiàn)傳統(tǒng)的非輻射性磁感應(yīng)。 MIT的實驗配置如下： 一對半徑30公分的LC共振器，彼此距離兩公尺，以及在接收端上配置的60瓦燈泡（圖7）。首先，從Colpitts共振器利用電磁誘導(dǎo)將電力送到傳送器的線圈，然后因磁場共振，將電力傳送到接收器的線圈，之后再利用電磁誘導(dǎo)提供電力給電燈而發(fā)亮。乍看之下整個系統(tǒng)似乎找不到電容器，但其實是分布于導(dǎo)線中的靜電容量就是電容器。實驗系統(tǒng)的共振頻率約為10MHz，與利用Maxwell方程式所解出來的理論值相當(dāng)一致。唯一還須進一步說明的是純銅的Q值為2，300，而系統(tǒng)的實際測定值為1，000。目前研究團隊認(rèn)為這是導(dǎo)線表面氧化所造成的。因為10MHz的高頻將對導(dǎo)線造成集膚效應(yīng)（Skin Effect），使電流僅在導(dǎo)線表面10微米薄層流過。 為什么是電磁共振方式？ 其實電力的無線傳輸是一個很古老的選題，號稱愛迪生一輩子對手的尼古拉特斯拉就窮其一生經(jīng)歷去研究這項技術(shù)，神秘的“通古斯大爆炸”傳言就是特斯拉的實驗災(zāi)難。 而我們想進行數(shù)公尺到數(shù)十公尺的距離內(nèi)傳送數(shù)據(jù)，利用最普及的無線網(wǎng)絡(luò)是最方便的方法，也曾經(jīng)有人嘗試過。然而事實證明電磁波并不適合來載送能量或電力。 以廣播接收為例，射頻廣播臺的基地臺以數(shù)十或數(shù)百千瓦（kW）大功率朝360度方向發(fā)射廣播訊號，但與發(fā)射機的功率相比，接收機所能接收到只能用微乎其微來形容，其能量傳輸效率實在太低。 利用指向性的天線或雷射使電磁波集中朝同一方向發(fā)射是一個理論上可行做法，實際上也有人在1968年就提出軌道太陽能發(fā)電站（Solar Power Station）的構(gòu)想，企圖將搭載有巨大太陽能發(fā)電系統(tǒng)的人造衛(wèi)星，以微波的方法傳送到地球的構(gòu)想。但由于衛(wèi)星上的傳送器必須不停的追隨接收器，因此實際應(yīng)用上受到太多局限。 而MIT選用的方法是共振現(xiàn)象。共振是自然界極為平常的現(xiàn)象，種類繁多。樂器有音響共振，小孩蕩秋千的機械共振，電磁場的共振，核磁氣的共振等。這一些共振共通的特征，即是能量交換只會發(fā)生在振動頻率一樣的兩個物體之間。
中學(xué)共振實驗用到得共振音叉 頻率不一致的兩個物體間則不傳遞能量。例如以音響共振來說，假設(shè)在房間中置放一百個酒杯，個別注入些許不同數(shù)量的液體，使每個不同酒杯有其固定的振動頻率。當(dāng)有個歌劇的歌手大聲練習(xí)發(fā)聲的時候，與其聲調(diào)相同，也就是振動頻率相同的酒杯，將出現(xiàn)強烈的共鳴，但其它振動頻率不同的酒杯則什么事也不會發(fā)生。 MIT所運用的方式乃是電磁場共振。具體來說是利用所謂「Evanescent Tail」近接場作為兩個物體間能量傳送的媒介。Evanescent Tail可以視為一種隨著距離急速衰減的電磁場。 要利用電磁共振理論來進行能量傳送，傳送效率、有效傳送距離、障礙物對于能量傳輸?shù)挠绊�，尤其重要的是對于人類身體是否有不良的影響等等，都須要詳細(xì)的實驗與評估。 MIT的傳送系統(tǒng)，有傳送器與接收器，各自安裝上共振體，并對傳送器注入能量。當(dāng)傳送器與接收器開始共鳴時，傳送器的能量遞減，接收器逐漸累積。等到傳送器端的能量用盡時，共振也隨之停止。這些能量可以用來驅(qū)動機械或?qū)﹄姵爻潆姟?br /> 而為了提高能量的傳送效率，MIT研究小組采用「強耦合區(qū)域」這種在自然界也會出現(xiàn)的共振現(xiàn)象。強耦合區(qū)域是一種能讓κ/Γ值遠(yuǎn)大于一的場合。簡單言之，κ與Γ是決定能量傳送效率的關(guān)鍵參數(shù)。具體來說，κ定量表示結(jié)合強度，Γ是電磁波放射或吸收引起系統(tǒng)能量損失大小的比例量�？傊�，κ/Γ遠(yuǎn)大于一成立的強結(jié)合區(qū)域，能量傳送速度遠(yuǎn)高于損失速度，換句話說，能量的傳送效率就比較高。 κ的計算式子可以運用耦合模式理論（Coupled-Mode Theory， CMT）來求得近似值。結(jié)合模式理論Q值接近于ω/2Γ。
κ值越大結(jié)合強度越高，能量交換越高。能量損失小就表示Γ值小，也就是說Q值大。Q值與Γ值成反比。 接著來看傳送距離。κ/Γ遠(yuǎn)大于1是MIT團隊的實驗重點，而引發(fā)強耦合區(qū)域則是實現(xiàn)高能量傳送效率的物理根據(jù)。κ/Γ除了是傳送效率的函數(shù)，其本身也是距離的函數(shù)。當(dāng)共鳴的兩個物體逐漸拉開距離時，結(jié)合度越弱。依據(jù)實驗顯示，當(dāng)κ/Γ小于1時，能量損失將變得非常大（圖3）。 圖3 κ值與距離的關(guān)系 若是考慮實際應(yīng)用情境，在進行系統(tǒng)設(shè)計時必須花費一番功夫，特別是在傳送器的大小與形狀上，要善加思考。 其次，來看實際應(yīng)用時障礙物的影響。此點可以利用Maxwell方程式來解得數(shù)值。利用耦合模式理論也可以獲得近似值。 根據(jù)數(shù)據(jù)計算的結(jié)果，即使將傳送器或是接收器等振動體移近墻壁，Q值僅有減少一點，也就是說對于能量損失的影響并不大。即使將傳送器埋入墻壁中間，Q值也僅減少約一半。 在實際的生活環(huán)境當(dāng)中，障礙物的比介電率的實數(shù)值多半很小。比如說，混凝土約為4.5、木材為1.2～5、石英玻璃為4，因此所造成的介電損失非常小。不過也有例外，水就是明顯一例。當(dāng)傳送器相當(dāng)接近水時，共鳴的Q值就滑落到正常數(shù)值的三分之一左右。但即使如此，就實用的角度來看還是勉強可以接受。 Witricity的發(fā)展現(xiàn)狀 由于WiTricity的自身特性，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。比如各種家庭用途或軍事用途機器裝置，電動車、可攜式裝置、醫(yī)療儀器、感應(yīng)器、電氣毛毯或具備暖房功能之裝置等等均有可能。 而在年初的CES 2013上，WiTricity公司試制并出了使用該公司磁場共振技術(shù)的多款無線供電產(chǎn)品，下面讓我們了解一下這個技術(shù)的具體應(yīng)用： 首先看一下智能手機方面，WiTricity開發(fā)了小型薄膜狀共振器，展示了將其內(nèi)置在智能手機的電池蓋及機殼中的示例。為了實現(xiàn)共振器的小型化以用在智能手機中，WiTricity將供電用頻率設(shè)定為6.78MHz。共振器為薄膜狀，因此還可輕松嵌入帶有曲面的機殼中，此次該公司展示了在小型藍(lán)牙耳機中嵌入共振器的試制機。
圖4 中央的透明圓筒中的是支持無線供電的藍(lán)牙耳機。展示的系統(tǒng)同時還能為放在圓筒上的智能手機充電。 另外，該公司此次還新開發(fā)了可同時為支持業(yè)界團體“WPC（wireless power consortium）”推進的標(biāo)準(zhǔn)“Qi”、采用以色列Powermat公司的充電技術(shù)、以及配備WiTricity公司技術(shù)的3種智能手機充電的充電座。用1臺充電座實現(xiàn)基于三種不同標(biāo)準(zhǔn)的充電還屬首次。WiTricity公司負(fù)責(zé)人表示：“將來，多種無線供電標(biāo)準(zhǔn)并存的可能性較高。希望到那時用1臺充電座即可對采用這些標(biāo)準(zhǔn)的各種設(shè)備充電。”
圖5：據(jù)稱可同時為Qi標(biāo)準(zhǔn)、Powermat技術(shù)及WiTricity技術(shù)3種技術(shù)的智能手機充電。 而在電視機方面，WiTricity利用其開發(fā)的系統(tǒng)為三星電子的電視機供電、驅(qū)動其工作，使用的是250kHz這一更低的頻率。該試制機送電側(cè)與受電側(cè)的距離為50cm 左右，但可通過改變共振器的尺寸進一步延長傳輸距離。
圖6：試制的電視機無線充電系統(tǒng)。從下部無線供電，驅(qū)動了電視機。 此外，WiTricity還展示了在5號電池中嵌入薄膜狀共振器進行充電的概念產(chǎn)品。
圖7：試制的能夠為5號電池?zé)o線供電的概念產(chǎn)品。 另外還有只需將數(shù)碼相機及遙控器等多種便攜終端放入其中即可為其充電的“充電箱”。這兩款概念產(chǎn)品使用的頻率也是250kHz。
圖8： 展示了同時為電池、遙控器及數(shù)碼相機進行非接觸充電的“充電箱”概念產(chǎn)品。 另外還有WiTricity和日本阿爾卑斯電氣的最新合作的無線供電系統(tǒng)，這是由一個使用大線圈的送電裝置和兩個手掌大小的受電裝置構(gòu)成的系統(tǒng)，可同時向兩個受電裝置供電。 阿爾卑斯電氣介紹稱，“從受電裝置可離開送電裝置這一點來看，磁共振方式大幅擴大了無線電力傳輸?shù)膽?yīng)用范圍”。
圖9：參考展出的磁共振式無線供電系統(tǒng)
圖10：向機器人的機械臂供電。送、受電線圈相隔80mm以上。正在供應(yīng)5W的電力。 寫在最后： 關(guān)于無線充電，需要考慮的不僅僅是充電效率和范圍的問題，有時候還得考慮所謂的無線充電是否會對人生造成傷害的問題，而團隊當(dāng)時也做過相關(guān)實驗。 團隊領(lǐng)導(dǎo)者利用在他辦公室內(nèi)負(fù)責(zé)整理書籍的機器人來模擬人體。在這個實驗中，MIT團隊依然是以高介電體的磁盤來當(dāng)作傳送接收器。傳送器安置在天花板的中央位置，接收器安裝在機器人上，機器人會來回走動。房間是立方體，床、墻壁與天花板都是相同的材質(zhì)。傳送器的形狀與輸出，制約少彈性大，傳送器內(nèi)部的能量損失暫不考慮，重點在接收端的能量損失。 首先，利用電磁波主體對機器人傳送電力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)機器人相對于辦公室來說小很多，僅能接收微小部分。利用高介電體的磁盤間的共振，機器人走到房間中央時，距離最短，接收電力最大，而機器人走到房間角落時，接收電力較小。若將機器人當(dāng)成人類來計算模擬時，人類所吸收的能量非常微小，只會造成些許微溫，這是電場在人類皮膚表面引起的焦耳熱。
圖11：使用LC共振器的無線電力傳送系統(tǒng) 然而，即使溫度再如何微小，都有潛在性的危險，也因此才必須采用磁場共振系統(tǒng)，例如LC共振器，而非高介電體磁盤來實現(xiàn)無線電力傳輸（圖6）。使用LC線圈的最大好處就在于在LC線圈的外部的能量幾乎全是磁場能量，而磁場在人類的生活空間中隨處可見，對人體造成影響程度很小。例如醫(yī)學(xué)上所使用的核磁共振攝影（Magnetic Resonance Imaging， MRI）檢查裝置，對人類身體的所發(fā)射的磁場強度就非常強，其它還有線性馬達、甚至是磁力漂浮式的床等等，也都會在人類的生活環(huán)境中造成強烈的磁場，但事實證明這些磁場對人體并不會造成健康上的疑慮。 利用數(shù)值計算磁場共振的結(jié)果，該LC共振器的Q值在回路半徑30公分的場合約4，000。共振的頻率為9MHz，換算成波長為33公尺。當(dāng)兩者距離1.5公尺時，能量傳送效率達90%。若是3公尺遠(yuǎn)，傳送效率達45%，κ/Γ大于1。 若是將LC共振器使用于前述模擬的辦公室房間時，假設(shè)傳送器使用的LC共振器半徑為1公尺，并安置在離床3公尺高的天花板上，接上10MHz的交流電源。而接收端側(cè)的共振器半徑則為30公分，Q值為1，000左右。在此狀況下，電力的傳送效率與使用高介電率的碟盤相同的程度，但人體的吸收能量幾乎是零，因此對人類而言安全許多。 因此，我們期待著無線充電的又一次新突破，那么在這塊上的大范圍推廣就指日可待了。 |
