我們這個(gè)世界早已步入無線化時(shí)代多年。廣播可以無線、語音通話可以無線、電視信號可以無線、數(shù)據(jù)傳輸可以無線、外設(shè)可以無線……但是甭管什么無線，電源線這根尾巴始終擺脫不掉，而無線供電技術(shù)可以讓我們的IT產(chǎn)品擺脫電源線這最后一根“尾巴”。幾年前，無線供電技術(shù)聽起來還像是外星科技那樣高不可攀，即使是IT硬件發(fā)燒界的資深人士也會(huì)問“這種技術(shù)的原理是什么？”、“會(huì)不會(huì)對人體造成較大的輻射傷害？”或者是“無線供電效率如何？”這樣的問題。如今，低功率無線供電技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，我們可以將自己的筆記本電腦升級為無線供電。

無線供電的定義

在維基百科等網(wǎng)站上，廣義的無線供電定義是終端用電器通過無線方式獲取電能的過程。但按照目前絕大多數(shù)人認(rèn)可的觀點(diǎn)，無線供電技術(shù)是將電源端的電能轉(zhuǎn)換為其他形式的無線能量，并在接收端被再次轉(zhuǎn)換為電能供終端使用的技術(shù)。按照這一定義，很多看起來“無線”的供電方式，比如使用太陽能和風(fēng)能等等都不能算做“無線供電”。事實(shí)上，我們也很少把這類能源供電歸為無線供電的范疇。按照這一定義，目前已經(jīng)實(shí)用化的無線供電技術(shù)只有兩類，一類基于電磁感應(yīng)原理，另一類則基于電磁共振原理。不過，盡管這些原理聽起來很簡單，但實(shí)用化的難度并不算小。

無線供電的早期發(fā)展

我們都知道無線電波具有能量，波長越短，能量也就越高，類似原子彈和氫彈爆炸那樣的核輻射可以快速殺死生命，即使是波長僅僅比可見光稍短的紫外線也可灼傷皮膚。既然能量能夠通過無線方式傳遞，那么只要找到合適的傳遞方式，就可以實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸。天才的物理學(xué)家尼古拉?特斯拉曾經(jīng)設(shè)想在地球和電離層之間以低頻電磁波傳遞電能，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電力全球輸送的宏圖。由于無線供電有著潛在的軍用價(jià)值，因此不少機(jī)構(gòu)和公司在這一領(lǐng)域投入了大量資金，并取得了一系列的重要成果。不過，早期的無線供電研究的軍方背景使無線供電偏重于長距離和高性能，這需要低頻、大功率的載波發(fā)射接收裝置，此類裝置一般都相當(dāng)龐大，這也使得無線供電技術(shù)很難用于民用場合，更別提用在便攜裝置上了。

無線供電安全嗎？

無線供電的安全性是每個(gè)人都關(guān)心的問題。一方面，無線供電造成的交變電場和磁場可能會(huì)對人體產(chǎn)生影響，但這種影響通常很小。根據(jù)日本相關(guān)企業(yè)的研究結(jié)果，在電動(dòng)巴士上配備22KHz頻率、30kW的電磁感應(yīng)式無線供電系統(tǒng)時(shí)，磁場強(qiáng)度在近場以距離的立方比例衰減，在100mm遠(yuǎn)的位置的磁場強(qiáng)度為72μT。這個(gè)值對普通人完全沒有影響，但對于特殊人群則可能會(huì)有問題——比如德國規(guī)定心臟起搏器的最大容許磁力線密度為66.5μT，因此安裝心臟起搏器的人士應(yīng)該離開充電裝置至少100mm以上。當(dāng)然，由于部分電能會(huì)變成熱能消耗，因此人們會(huì)感覺充電系統(tǒng)旁邊會(huì)熱一些。

電磁感應(yīng)式供電

那么，有沒有什么無線供電技術(shù)更為適合民用領(lǐng)域，即距離不那么長、功率也不那么大的場合呢？答案自然是肯定的。科學(xué)家們最先想到的是電磁感應(yīng)技術(shù)。電磁感應(yīng)現(xiàn)象最早為法拉第所發(fā)現(xiàn)，當(dāng)導(dǎo)體切割磁力線時(shí)，導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生電流。電磁感應(yīng)是我們廣泛運(yùn)用的發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，同樣地，我們目前使用的大量智能卡——比如公交卡和餐卡也是基于電磁感應(yīng)技術(shù)來工作的。在讀卡器上方有微弱的交變磁場，而封裝在塑料卡內(nèi)部的則是智能芯片和感應(yīng)線圈，當(dāng)把智能卡放在讀卡器上時(shí)，感應(yīng)線圈中就會(huì)產(chǎn)生電流，供芯片使用。

在同樣工作原理的基礎(chǔ)上，將交變磁場的強(qiáng)度加以放大，就能夠?qū)崿F(xiàn)對小型用電裝置進(jìn)行無線供電的目的了。無線供電端的工作部分是一個(gè)初級線圈，在其中通入交變電流，線圈即會(huì)產(chǎn)生交變磁場，這一磁場可以覆蓋與初級線圈很近并與之同軸的次級線圈，從而在次級線圈中產(chǎn)生電流。目前市售的大量無線電動(dòng)牙刷、電動(dòng)剃須刀等小電器以及某些型號的智能手機(jī)就采用了這一技術(shù)。以數(shù)年前的產(chǎn)品Palm Pre手機(jī)為例，Palm公司在2009年推出了一款與之配合的無線充電底座“Touchstone（點(diǎn)金石）”，充電底座的內(nèi)部是用于產(chǎn)生交變磁場的電路，而專用的手機(jī)背蓋則內(nèi)置了感應(yīng)線圈，并通過兩個(gè)觸點(diǎn)連接到電池。當(dāng)然，Palm公司的這一技術(shù)并非原創(chuàng)，而是來自Fulton Innovation公司的eCouples技術(shù)授權(quán)。該公司的eCouples技術(shù)同樣被德州儀器、戴爾等公司所采用。

電磁感應(yīng)式供電的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)起來非常簡單，充電設(shè)備和終端設(shè)備只需配備感應(yīng)線圈以及相應(yīng)的穩(wěn)壓電路即可，目前市售的“無線充電底座”大部分采用了這一技術(shù)。不過，它的缺點(diǎn)也很明顯，一是只有當(dāng)初級線圈和次級線圈保持近似同軸時(shí)才能獲得較高的傳輸效率；二是有效距離較短，在可接觸距離內(nèi)充電無法體現(xiàn)無線供電的便捷性；三是功率仍有限制，這類設(shè)備通常會(huì)避免將磁場設(shè)計(jì)得過強(qiáng)，以免損壞其他設(shè)備或?qū)θ梭w造成影響。

電磁共振式供電

很久之前人們就發(fā)現(xiàn)了共振現(xiàn)象，它能夠以相當(dāng)高的效率傳輸能量，在高中時(shí)我們做過的音叉共振實(shí)驗(yàn)很好地展示了共振的能量傳遞。

2007年，美國麻省理工學(xué)院（MIT）的學(xué)者馬林·索爾賈西克發(fā)表了一項(xiàng)驚人的成就：他們發(fā)現(xiàn)通過向一組線圈施加一定頻率（大約數(shù)十兆赫茲）的交變電場，使其周圍產(chǎn)生交變磁場，這一磁場將會(huì)使距離第一組線圈數(shù)段波長之內(nèi)的第二組線圈之中產(chǎn)生共振電流，即使距離達(dá)到2m以上，也能夠?qū)崿F(xiàn)40%以上的輸電效率。這一發(fā)現(xiàn)的潛在商業(yè)價(jià)值，特別是用于電動(dòng)汽車充電的價(jià)值被迅速挖掘出來。以索爾賈西克等為骨干，成立了一家新的風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)企業(yè)WiTricity，開始無線供電的商業(yè)化研究。與此同時(shí)，英特爾、三星、東芝、索尼、高通等企業(yè)也開始投入電磁共振式供電的研究。2008年，英特爾展示的無線電力輸送系統(tǒng)達(dá)到了75%的輸送效率。到了2009年，長野日本無線宣布能夠?qū)㈦姶殴舱袷焦╇娫?0cm距離內(nèi)的輸送效率提高到95%，而昭和飛機(jī)工業(yè)則實(shí)現(xiàn)了千瓦功率級別、相距600mm并且達(dá)到90%傳輸效率的無線電力傳輸。

電磁共振式供電的最大優(yōu)點(diǎn)是傳輸距離很長，從數(shù)厘米，數(shù)十厘米甚至到數(shù)米都能夠?qū)崿F(xiàn)有效供電。其次，它能夠傳輸?shù)墓β室蚕喈?dāng)大，起步就是數(shù)十瓦。再次，電磁共振式供電的位置自由度更大，在一段距離中任何位置都可實(shí)現(xiàn)供電，兩線圈即使并不平行，甚至處于正交位置，但也能實(shí)現(xiàn)電力傳輸。此外，它的磁場強(qiáng)度也比電磁感應(yīng)式輸電弱得多。這些優(yōu)點(diǎn)使得電磁共振式供電迅速成為無線供電領(lǐng)域的新貴。

除了在傳輸效率方面不斷取得進(jìn)步外，電磁共振式無線供電技術(shù)的實(shí)用化腳步也越來越快。英特爾在IDF上曾經(jīng)展出了使用電磁共振供電的自充電機(jī)器人，還和匹茲堡大學(xué)醫(yī)學(xué)中心與華盛頓大學(xué)合作，開發(fā)了線圈直徑僅為數(shù)厘米的人工心臟無線供電系統(tǒng)，供電效率可達(dá)80%。在2012年的IDF上，英特爾還展示了在超極本中使用的無線充電裝置。WiTricity則推出了用于智能手機(jī)和數(shù)碼設(shè)備的充電板以及一套3.5kW級別的電動(dòng)汽車用無線充電裝置，Delphi（德爾福）公司也推出了類似的系統(tǒng)。傳統(tǒng)汽車生產(chǎn)商如豐田則與WiTricity合作開發(fā)此類產(chǎn)品。目前，電磁共振供電是無線供電領(lǐng)域創(chuàng)新最活躍的領(lǐng)域，在2011年舉辦的首屆無線供電學(xué)術(shù)會(huì)議上，有關(guān)電磁共振方式的演講占了一半以上。

除了目前還沒有確定的標(biāo)準(zhǔn)之外，電磁共振式供電技術(shù)還面臨著與已經(jīng)相當(dāng)成熟的電磁感應(yīng)技術(shù)競爭的問題，二者預(yù)計(jì)的應(yīng)用突破口都是智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備和電動(dòng)汽車，而實(shí)用化的進(jìn)程后者則領(lǐng)先一步。能否找到針對前者充電位置靈活、傳輸距離較遠(yuǎn)等優(yōu)勢的應(yīng)用，將會(huì)是決定成敗的關(guān)鍵。目前三星推出了使用電磁共振充電的3D眼鏡，TDK則推出了同一類型的無線耳機(jī)，這些需要較遠(yuǎn)距離傳輸電能的產(chǎn)品可能成為電磁共振充電設(shè)備的突破口。而對于電動(dòng)汽車行駛過程中直接充電這樣的愿景，無疑電磁共振式供電技術(shù)更為合適。

電場耦合供電技術(shù)

電場耦合技術(shù)利用供電端和受電端的兩個(gè)電極之間產(chǎn)生的電場來傳遞電能，效率可達(dá)到70%～80%左右。這一技術(shù)在業(yè)內(nèi)算是少數(shù)派，目前只有日本的村田制作所和竹中工務(wù)店在進(jìn)行開發(fā)。前者發(fā)展的是串聯(lián)耦合供電技術(shù)，它的結(jié)構(gòu)相對較為簡單，但功率較低；后者發(fā)展的是并聯(lián)耦合供電技術(shù)，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，可實(shí)現(xiàn)上百瓦特的充電功率。

與業(yè)內(nèi)最為流行的電磁感應(yīng)式供電技術(shù)相比，電場耦合技術(shù)的優(yōu)勢是在水平方向的自由度較好，無線供電部分發(fā)熱量小以及電極材料的厚度更薄，但在功率和效率方面比前者差，而且供電端和受電端的距離也必須很近。這些特征使之更適用于平板電腦和智能手機(jī)，功率再增加也可以用于筆記本電腦。由于電極可以做得很大，因此也可以制成采用電場耦合技術(shù)的整張書桌或咖啡桌。不過，由于電場耦合技術(shù)需使用較高的電壓，因此在安全性方面還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

電磁波供電技術(shù)

除了以上3類無線供電技術(shù)外，還有直接接收電磁波能量的無線供電形式，首先通過天線或接收器接收無線電波發(fā)射器的能量，然后再通過共振電路和整流電路將其轉(zhuǎn)化為可用的電能。英特爾、Powercast、日本電業(yè)工作等公司均曾對這一技術(shù)展開過研究，載波則為微波或毫米波。不過，通過電磁波傳遞能量較?。ㄒ话阈∮?W）、傳輸效率不高（小于40%），而唯一的好處就是可實(shí)現(xiàn)更長的傳播距離以及可以有較多的受電端，因此能在某些特定場合應(yīng)用。

無線電力傳輸?shù)呐R門一腳

目前的無線供電市場依然是電磁感應(yīng)式充電技術(shù)一家獨(dú)大的格局，但電磁共振式充電技術(shù)已經(jīng)迎頭趕上。根據(jù)相關(guān)企業(yè)的預(yù)測，到2013年，大約一半智能手機(jī)都將擁有無線充電功能，而無線充電汽車則會(huì)在2015年之后大行其道——如果把公路鋪上線圈的話，甚至可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車行駛中不間斷充電，這無疑很有誘惑力。不要認(rèn)為這是科幻內(nèi)容，目前的玩具汽車已經(jīng)將它變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

WPC標(biāo)準(zhǔn)搶得先機(jī)

在IT業(yè)界，最有發(fā)言權(quán)的是那些制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的企業(yè)，電磁感應(yīng)供電領(lǐng)域也不例外。2008年，F(xiàn)ulton Innovation公司和德州儀器、國家半導(dǎo)體、飛利浦等數(shù)家公司一起成立了一個(gè)“無線充電聯(lián)盟”（The Wireless Power Consortium，WPC）。2010年，WPC發(fā)布了針對5W以下功率（主要是手機(jī)）用電器的無線充電傳輸標(biāo)準(zhǔn)1.0版本，并以“Qi”作為符合這一標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備的標(biāo)志。

1.0版本的無線傳輸標(biāo)準(zhǔn)采用電磁感應(yīng)技術(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)，WPC規(guī)定了數(shù)種初級線圈的工作形式。智能化程度最高的是由感應(yīng)裝置感應(yīng)次級線圈的位置，然后由步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)初級線圈運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)位置與次級線圈匹配，這一技術(shù)由三洋電機(jī)開發(fā)，可以獲得大約90%的充電效率。另一種形式是由數(shù)十個(gè)初級線圈陣列組成充電座，感應(yīng)裝置會(huì)“命令”與次級線圈匹配最好的那一個(gè)初級線圈進(jìn)入工作狀態(tài)，這一方案是由我國的Convenient Power公司提出的，它的缺點(diǎn)是成本略高，好處是可以同時(shí)給多個(gè)設(shè)備充電。最“傻瓜”的一種方式是Fulton Innovation公司提出的方案，通過永久磁鐵磁極間的吸引來定位，盡管它成本最低，但很多專家質(zhì)疑這種方式會(huì)對手機(jī)中的地磁傳感器等部件產(chǎn)生影響，因此Fulton Innovation公司又追加了利用鐵氧體磁芯和線圈實(shí)現(xiàn)定位的技術(shù)，并于2012年引入Qi標(biāo)準(zhǔn)中。

目前，WPC的Qi標(biāo)準(zhǔn)是業(yè)界運(yùn)用最廣泛的無線充電標(biāo)準(zhǔn)，特別是堅(jiān)持自己開發(fā)電磁感應(yīng)式無線充電技術(shù)并且占據(jù)相當(dāng)大市場的以色列Powermat公司在2011年5月也投入了WPC的懷抱。不過，很多野心勃勃的公司并不認(rèn)為自己需要臣服于WPC的標(biāo)準(zhǔn)之下，它們的選擇是另立山頭——支持電磁共振式無線供電。