對(duì)于無(wú)線充電，大家了解得最多的應(yīng)該是WPC推動(dòng)的Qi標(biāo)準(zhǔn)，另外還有來(lái)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(wú)線充電，但由于都是采用電磁感應(yīng)實(shí)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(lái)說(shuō)，在實(shí)施無(wú)線充電的時(shí)候，不但對(duì)手機(jī)的擺放距離有要求，同時(shí)在手機(jī)的擺放位置上要求都比較苛刻。就方便應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這種充電方式未免能夠吸引更多的消費(fèi)者的興趣。

　　而美國(guó)WiTricity公司早前推出的無(wú)線充電技術(shù)則可以完全解決這些問(wèn)題，由于采用了磁共振的無(wú)線充電技術(shù)，它允許手機(jī)離開充電器的一段距離充電，同時(shí)對(duì)位置要求要沒(méi)那么嚴(yán)格，同時(shí)還可以同時(shí)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(wú)線充電的未來(lái)？

　　Witricity的前世今生

　　代號(hào)為“Witricity”的技術(shù)最早是由美國(guó)MIT助理教授Marin Soljacic發(fā)明的，他并在前幾年的美國(guó)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(dá)成了透過(guò)無(wú)線充電的方式點(diǎn)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(tuán)隊(duì)就從MIT獨(dú)立出來(lái)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(chǎng)共振的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線供電。而實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸電力的關(guān)鍵在于磁場(chǎng)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(duì)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(gè)技術(shù)的關(guān)鍵在于非輻射性磁耦合的使用?！皟蓚€(gè)相同頻率的諧振物體將會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)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(shí)現(xiàn)了非輻射性無(wú)線能量的傳輸。”

　　目前，磁耦合被用于短距離范圍，以對(duì)電池進(jìn)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?yàn)榇艌?chǎng)能量隨著距離變大會(huì)迅速丟失。在傳統(tǒng)的磁感應(yīng)中，距離只能通過(guò)增加磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)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(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度。其它組織則演示了較長(zhǎng)距離的射頻無(wú)線功率傳輸，但傳輸?shù)墓β手挥袔孜⑼叩綆缀镣摺?/p>

　　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(chǎng)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(lái)點(diǎn)亮燈泡。

　　圖2

　　Soljacic在燈泡演示中讓他的整個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)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(shí)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(tuán)隊(duì)聲稱，如果沒(méi)有匹配天線產(chǎn)生的諧振，那么將會(huì)有一百萬(wàn)多倍的能量被用在傳輸線圈中，以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的非輻射性磁感應(yīng)。

　　MIT的實(shí)驗(yàn)配置如下：

　　一對(duì)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(chǎng)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(gè)系統(tǒng)似乎找不到電容器，但其實(shí)是分布于導(dǎo)線中的靜電容量就是電容器。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的共振頻率約為10MHz，與利用Maxwell方程式所解出來(lái)的理論值相當(dāng)一致。唯一還須進(jìn)一步說(shuō)明的是純銅的Q值為2，300，而系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)定值為1，000。目前研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為這是導(dǎo)線表面氧化所造成的。因?yàn)?0MHz的高頻將對(duì)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(guò)。

　　為什么是電磁共振方式？

　　其實(shí)電力的無(wú)線傳輸是一個(gè)很古老的選題，號(hào)稱愛(ài)迪生一輩子對(duì)手的尼古拉特斯拉就窮其一生經(jīng)歷去研究這項(xiàng)技術(shù)，神秘的“通古斯大爆炸”傳言就是特斯拉的實(shí)驗(yàn)災(zāi)難。

　　而我們想進(jìn)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)是最方便的方法，也曾經(jīng)有人嘗試過(guò)。然而事實(shí)證明電磁波并不適合來(lái)載送能量或電力。

　　以廣播接收為例，射頻廣播臺(tái)的基地臺(tái)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(hào)，但與發(fā)射機(jī)的功率相比，接收機(jī)所能接收到只能用微乎其微來(lái)形容，其能量傳輸效率實(shí)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(gè)理論上可行做法，實(shí)際上也有人在1968年就提出軌道太陽(yáng)能發(fā)電站（Solar Power Station）的構(gòu)想，企圖將搭載有巨大太陽(yáng)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(shí)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(lè)器有音響共振，小孩蕩秋千的機(jī)械共振，電磁場(chǎng)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(huì)發(fā)生在振動(dòng)頻率一樣的兩個(gè)物體之間。

　　中學(xué)共振實(shí)驗(yàn)用到得共振音叉

　　頻率不一致的兩個(gè)物體間則不傳遞能量。例如以音響共振來(lái)說(shuō)，假設(shè)在房間中置放一百個(gè)酒杯，個(gè)別注入些許不同數(shù)量的液體，使每個(gè)不同酒杯有其固定的振動(dòng)頻率。當(dāng)有個(gè)歌劇的歌手大聲練習(xí)發(fā)聲的時(shí)候，與其聲調(diào)相同，也就是振動(dòng)頻率相同的酒杯，將出現(xiàn)強(qiáng)烈的共鳴，但其它振動(dòng)頻率不同的酒杯則什么事也不會(huì)發(fā)生。

　　MIT所運(yùn)用的方式乃是電磁場(chǎng)共振。具體來(lái)說(shuō)是利用所謂「Evanescent Tail」近接場(chǎng)作為兩個(gè)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(chǎng)。

　　要利用電磁共振理論來(lái)進(jìn)行能量傳送，傳送效率、有效傳送距離、障礙物對(duì)于能量傳輸?shù)挠绊?，尤其重要的是?duì)于人類身體是否有不良的影響等等，都須要詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)與評(píng)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(duì)傳送器注入能量。當(dāng)傳送器與接收器開始共鳴時(shí)，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(shí)，共振也隨之停止。這些能量可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)械或?qū)﹄姵爻潆姟?/p>

　　而為了提高能量的傳送效率，MIT研究小組采用「強(qiáng)耦合區(qū)域」這種在自然界也會(huì)出現(xiàn)的共振現(xiàn)象。強(qiáng)耦合區(qū)域是一種能讓?duì)?Γ值遠(yuǎn)大于一的場(chǎng)合。簡(jiǎn)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(lái)說(shuō)，κ定量表示結(jié)合強(qiáng)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?Γ遠(yuǎn)大于一成立的強(qiáng)結(jié)合區(qū)域，能量傳送速度遠(yuǎn)高于損失速度，換句話說(shuō)，能量的傳送效率就比較高。

　　κ的計(jì)算式子可以運(yùn)用耦合模式理論（Coupled-Mode Theory， CMT）來(lái)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(qiáng)度越高，能量交換越高。能量損失小就表示Γ值小，也就是說(shuō)Q值大。Q值與Γ值成反比。

　　接著來(lái)看傳送距離。κ/Γ遠(yuǎn)大于1是MIT團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)，而引發(fā)強(qiáng)耦合區(qū)域則是實(shí)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(gè)物體逐漸拉開距離時(shí)，結(jié)合度越弱。依據(jù)實(shí)驗(yàn)顯示，當(dāng)κ/Γ小于1時(shí)，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(shí)際應(yīng)用情境，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須花費(fèi)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(lái)看實(shí)際應(yīng)用時(shí)障礙物的影響。此點(diǎn)可以利用Maxwell方程式來(lái)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(jì)算的結(jié)果，即使將傳送器或是接收器等振動(dòng)體移近墻壁，Q值僅有減少一點(diǎn)，也就是說(shuō)對(duì)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(shí)際的生活環(huán)境當(dāng)中，障礙物的比介電率的實(shí)數(shù)值多半很小。比如說(shuō)，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(guò)也有例外，水就是明顯一例。當(dāng)傳送器相當(dāng)接近水時(shí)，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(shí)用的角度來(lái)看還是勉強(qiáng)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(jī)器裝置，電動(dòng)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(chǎng)共振技術(shù)的多款無(wú)線供電產(chǎn)品，下面讓我們了解一下這個(gè)技術(shù)的具體應(yīng)用：

　　首先看一下智能手機(jī)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(jī)的電池蓋及機(jī)殼中的示例。為了實(shí)現(xiàn)共振器的小型化以用在智能手機(jī)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(jī)殼中，此次該公司展示了在小型藍(lán)牙耳機(jī)中嵌入共振器的試制機(jī)。

　　圖4 中央的透明圓筒中的是支持無(wú)線供電的藍(lán)牙耳機(jī)。展示的系統(tǒng)同時(shí)還能為放在圓筒上的智能手機(jī)充電。

　　另外，該公司此次還新開發(fā)了可同時(shí)為支持業(yè)界團(tuán)體“WPC（wireless power consortium）”推進(jìn)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(jī)充電的充電座。用1臺(tái)充電座實(shí)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(lái)，多種無(wú)線供電標(biāo)準(zhǔn)并存的可能性較高。希望到那時(shí)用1臺(tái)充電座即可對(duì)采用這些標(biāo)準(zhǔn)的各種設(shè)備充電。”

　　圖5：據(jù)稱可同時(shí)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(jī)充電。

　　而在電視機(jī)方面，WiTricity利用其開發(fā)的系統(tǒng)為三星電子的電視機(jī)供電、驅(qū)動(dòng)其工作，使用的是250kHz這一更低的頻率。該試制機(jī)送電側(cè)與受電側(cè)的距離為50cm 左右，但可通過(guò)改變共振器的尺寸進(jìn)一步延長(zhǎng)傳輸距離。

　　圖6：試制的電視機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)。從下部無(wú)線供電，驅(qū)動(dòng)了電視機(jī)。

　　此外，WiTricity還展示了在5號(hào)電池中嵌入薄膜狀共振器進(jìn)行充電的概念產(chǎn)品。

　　圖7：試制的能夠?yàn)?號(hào)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(jī)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(shí)為電池、遙控器及數(shù)碼相機(jī)進(jìn)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(wú)線供電系統(tǒng)，這是由一個(gè)使用大線圈的送電裝置和兩個(gè)手掌大小的受電裝置構(gòu)成的系統(tǒng)，可同時(shí)向兩個(gè)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(diǎn)來(lái)看，磁共振方式大幅擴(kuò)大了無(wú)線電力傳輸?shù)膽?yīng)用范圍”。

　　圖9：參考展出的磁共振式無(wú)線供電系統(tǒng)

　　圖10：向機(jī)器人的機(jī)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(wú)線充電，需要考慮的不僅僅是充電效率和范圍的問(wèn)題，有時(shí)候還得考慮所謂的無(wú)線充電是否會(huì)對(duì)人生造成傷害的問(wèn)題，而團(tuán)隊(duì)當(dāng)時(shí)也做過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

　　團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)者利用在他辦公室內(nèi)負(fù)責(zé)整理書籍的機(jī)器人來(lái)模擬人體。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，MIT團(tuán)隊(duì)依然是以高介電體的磁盤來(lái)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(jī)器人上，機(jī)器人會(huì)來(lái)回走動(dòng)。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?gòu)椥源?，傳送器?nèi)部的能量損失暫不考慮，重點(diǎn)在接收端的能量損失。

　　首先，利用電磁波主體對(duì)機(jī)器人傳送電力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)機(jī)器人相對(duì)于辦公室來(lái)說(shuō)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(jī)器人走到房間中央時(shí)，距離最短，接收電力最大，而機(jī)器人走到房間角落時(shí)，接收電力較小。若將機(jī)器人當(dāng)成人類來(lái)計(jì)算模擬時(shí)，人類所吸收的能量非常微小，只會(huì)造成些許微溫，這是電場(chǎng)在人類皮膚表面引起的焦耳熱。

　　圖11：使用LC共振器的無(wú)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(xiǎn)，也因此才必須采用磁場(chǎng)共振系統(tǒng)，例如LC共振器，而非高介電體磁盤來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)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(chǎng)能量，而磁場(chǎng)在人類的生活空間中隨處可見，對(duì)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(duì)人類身體的所發(fā)射的磁場(chǎng)強(qiáng)度就非常強(qiáng)，其它還有線性馬達(dá)、甚至是磁力漂浮式的床等等，也都會(huì)在人類的生活環(huán)境中造成強(qiáng)烈的磁場(chǎng)，但事實(shí)證明這些磁場(chǎng)對(duì)人體并不會(huì)造成健康上的疑慮。

　　利用數(shù)值計(jì)算磁場(chǎng)共振的結(jié)果，該LC共振器的Q值在回路半徑30公分的場(chǎng)合約4，000。共振的頻率為9MHz，換算成波長(zhǎng)為33公尺。當(dāng)兩者距離1.5公尺時(shí)，能量傳送效率達(dá)90%。若是3公尺遠(yuǎn)，傳送效率達(dá)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(shí)，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(duì)人類而言安全許多。

　　因此，我們期待著無(wú)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。