第二届电力电子科普征文大赛-入围奖

香港科技大学（广州） 刘昶

在电子产品深刻改变人类生产生活方式的今天，大家对于无线充电技术早已不陌生，日常可以接触到的消费类电子产品诸如手机、电动牙刷都可以使用，但你有没有想过为什么这项技术现在才开始流行，它背后有哪些原理与奇妙的现象，已经被用在了哪些你可能不太熟悉的场景，未来又会怎样改变我们的生活呢？本文就来一一道来。

一、什么是无线电能传输技术

顾名思义，无线电能传输（Wireless Power Transfer）就是不依赖线缆将能量从发射端传递到接收端，广义上来讲许多物理机制下的能量载体都可以用来完成该技术，超声波、激光、微波等等，但它们都不是今天故事的主角，在成本、安全性、传输距离多种因素的考虑下，日常应用场景下人们选择了低频电磁波（几十kHz到几百kHz）的形式来完成能量的传输。而建立磁场最简单的方式就是绕制线圈，建立电场则是用金属平板，然而金属平板以空气为介质形成的电容大小比较敏感，参数并不稳定，同时制造过程中可能遇到难以实现器件间绝缘等问题，我们遇到的就是用线圈传递能量的方案了。而由于线圈间是通过磁场作用，也就是法拉第电磁感应定律作用，这种能量传递方式又被称为感应式无线电能传输。

图1. 手机无线充电示意图（左）和磁共振式无线电能传输电路模型图

其实感应式无线电能传输可以理解为把变压器中的磁芯拿掉了，降低了互感（互感越大，原边流过一定电流时副边能感应到的电压越大）时的工作状态，如果两个线圈离得比较近，该方法也能达到不错的效率。但是为了传输更大功率或更远距离，人们提出了磁共振式无线电能传输技术，其实原理很简单，既然互感大大降低了，那就存在自感使得系统中无功功率太大，那我们使用电容将这多余的无功进行补偿，此时如果工作频率和原副边电路中电容电感谐振频率相同就可以大大提升传输效率！其实这种方法和特斯拉线圈是一个原理，不同之处在于我们往往使用功率半导体来实现电路的通断进而产生合适频率的交流输入，而特斯拉则利用空气击穿与否来导通关断电路，另外其副边的回路是通过环状电极对地电容形成的。

图2. 特斯拉线圈电路模型（左）和放电效果图

你可能会好奇，既然只是利用低频的电磁场来传递能量，那为什么到2010年之后该技术才逐渐流行起来呢？我觉得可能有以下几个原因：一是半导体技术的限制，尽管磁共振式无线电能传输在一百多年前就被发现，但是特斯拉线圈外有火花，既不可控也不安全，这是没有半导体器件做电子开关导致的技术方案，而从上世纪80年代以来，功率半导体技术突飞猛进，才可以用逆变器实现可控的交流源输入；二是移动设备的供电需求，在iPhone问世后，大家对各类移动电子设备的依赖加强，而电池无法满足长时间的工作，反复插拔是不太简洁与优雅的充电方式，因此人们有了这样的需求；第三是电池技术的进步，早在1961年美国通用电气公司就推出了电动牙刷这类产品，但是由于安装的是镍铬电池，寿命短，体积大，因此没有流行起来。

二、应用领域

1. 手机无线充电

基于磁共振无线电能传输技术你可以轻松地将手机放在充电垫上，而不需要插拔充电线。在该领域中，Qi（发音为“气”）标准是目前最为流行和普及的一种标准。Qi标准由Wireless Power Consortium（无线电力联盟）制定，它确保了不同品牌和型号的设备都可以兼容使用相同的充电垫。这意味着，你可以使用一个Qi兼容的充电垫来给你的手机或其他Qi兼容设备充电，而不需要担心兼容性问题。目前支持Qi协议的常见手机厂商有，苹果、三星、小米、华为等，其中小米和华为也推出了功率更高的私有无线充电协议。而且，越来越多的汽车也开始配备无线充电功能，让你在行车途中也能随时为手机充电。

2. 感应加热技术

感应加热是一种利用电磁感应原理来产生热量的方法。它通过将交流电流通过一个导体（通常是铜或铝等高导电率材料制成的线圈），从而在导体周围产生变化的磁场。当这个变化的磁场穿过邻近的导磁材料（如铁、钢等）时，会在其中产生涡流。由于金属内部存在电阻，这些涡流流动时会产生热量，从而达到加热的目的。在该领域能量传输的接收端变为了锅体，可以使用单纯的感应式无线电能传输，也可以利用磁谐振式来提高效率和抗偏移性。感应炉灶是感应加热技术的一个典型应用。在感应炉灶中，线圈中通过高频交流电流产生磁场，当放置铁质炊具在炉面上时，炊具底部的金属材料就会产生涡流并迅速发热，进而加热炊具内的食物。感应炉灶响应快，热效率高，且易于清洁，因为只有炊具的底部直接被加热，炉面本身并不发热。

  图3. 磁谐振式无线电能传输用于感应加热示意图（左）和博世感应炉灶（右）

3. 电动汽车无线充电

电动汽车在我国已经越来越常见，其替代传统燃油车也是我国能源转型，双碳目标的重要一环，然而目前电动汽车的电池占据车身很大一部分空间、重量与成本，对电动汽车进行无线充电则提供了另一种简洁高效的供能方式。例如自动泊车和无线充电相结合，不需要手动插拔充电枪，这大大提高了充电场所在天气恶劣时的安全性；又比如在城市中的交叉路口或其他停车位增设无线充电功能，可以降低有线充电的次数，延长城市中的续航。

图4. BMW 530e iPerformance无线充电前停车影像（左）以及充电示意图

目前，已有一些汽车制造商在部分车型中使用了无线充电技术。例如宝马在其 530e iPerformance中配置了BMW Wireless Charging，这是第一款配备该技术的量产车型；奥迪部分混动车型如A8L e-Tron也支持无线充电，其过程如图5所示；沃尔沃将为瑞典地区的XC40纯电版本提供无线充电服务；特斯拉与国内厂商智己也将在未来的车型中使用该技术。目前研发电动汽车无线充电时间最长的商业公司是Witricity，其成熟方案可以在22kW功率传输下，效率达到92%以上.

图5. Audi A8L e-Tron无线充电过程示意图

三、发展与挑战

从发展前景看，随着科技的不断进步，无线电能传输技术的效率和稳定性不断提高，使得其在各个领域的应用得以扩展和深化。它将不仅仅局限于手机充电和家用电器，还在电动汽车、医疗设备、工业机器人等领域得到应用，为各行各业带来了更大的便利。除此之外，诸如Qi标准等的制定和推广，有助于统一无线充电技术的规范和标准，提升了设备的兼容性，推动了技术的普及和应用。

然而不可否认目前无线电能传输技术还存在以下挑战，一是能量传输效率相对有线传输还有一定的差距，特别是在远距离传输和大功率传输方面，还存在一定的挑战。二是该技术涉及到电磁辐射和电磁波的传输，可能对人体健康和周围电子设备造成干扰，因此需要更加严格的安全标准和监管措施。三是无线电能传输技术的设备和基础设施建设成本较高，而且商业模式和盈利模式尚未完全成熟，需要进一步探索和完善。四是尽管已经出现了一些标准，但行业内仍存在着多种不同的技术和标准，这对于技术的推广和市场化造成了一定的阻碍。

综合而言，无线电能传输技术作为一项前沿的科技，发展的机遇与挑战并存。只有充分发挥技术创新的优势，积极应对各种挑战，才能推动该技术持续健康地发展，并为人类社会带来更多的便利和进步。