无线供电解决方案

无线输电技术一直是人们关心的课题，早在上世纪初，Nicola Tesla就进行过远距离无线输电的实验研究，虽然该项计划因资金等原因中途夭折，然而，远距离无线输电技术一直在进行着。特别是近年来，便携式电子产品大量涌现，以及传感器无线网络技术与MEMS器件的发展，推动了无线供电与无线网络技术的研发，并在理论研究和实用化技术方面取得了初步的成果。下面将简要地介绍该项工作所采用的方案和各种产品。

电磁波方案

电磁波，俗称无线电波是人们非常熟悉的一个概念。正是由于它的发现，才奠定了广播、电视和现代通信技术的基础。电磁波不仅能传输信号，它也能传输电能。美国一家公司Power Cast开发了这项技术，可为各种电子产品充电或供电，包括耗电量相对较低的电子产品，诸如手机、MP3随身听、温度传感器、助听器，甚至汽车零部件和医疗仪器。整个系统基本上包含了两个部件，称为Power Caster的发射器模块和称为Powerharvester的接收器模块，前者可插入在插座上，后者则嵌入在电子产品上(图1)。发送器发射安全的低频电磁波，接收器接收发射频率的电磁波，据称约有70%的电磁信号能量转换为直流电能。该项技术之所以会得到多家厂商的青睐，原因在于它独特的电磁波接收装置，能够根据不同的负载、电场强度来作调整，以维持稳定的直流电压。

图1 Powercast系统图

2变压器示意图

磁耦合方案电磁感应是一项基本原理，交流电源中一个重要部件变压器就是利用它工作的，变压器由一个磁芯和二个线圈，即初级线圈与次级线圈组成。当初级线圈两端加上一个交变电压时，磁芯中就会产生一个交变磁场，从而在次级线圈上感应一个相同频率的交流电压，电能就从输入电路传输至输出电路。对图2所示的变压器基本电路，两个端口的电压降可表示为：

V1=jwL1I1-jwMI2

Y2=jwMI1-jwL2I2=ZLI2

式中L1、L2和M分别为初级电感、次级电感与互感，ZL是负载电阻。初、次级间耦合度可用耦合系数K来定义：

K=M/

耦合系数反映了变压器的优值，对于一个近似于理想的变压器，可简单表示为：

V1/V2≈L1/L2≈N1/N2

式中N1与N2分别是两个电感的匝数，就是所说的电压比等于匝数比。

对于无线供电或充电的装置而言，其初级线圈与次级线圈处于两个分离的各自部件中，因而线圈间的耦合是比较松散的。最早使用电磁感应原理的是电动牙刷。电动牙刷经常接触水，不采用直接充电方案，在充电座和牙刷中各有一个线圈，当牙刷放在充电座上时就有磁耦合作用，类似一个变压器，感应电压整流后就可对镍镉电池充电，整个电路消耗功率约3W。整套装置的示意图如图3。

图3 电动牙刷

图4 塑料薄膜电源日本东京大学的教授们设计了一种塑料薄膜电源(图4)，很有创意，用途也十分广泛。例如，可将它铺在地板上或桌子上，或嵌入在墙壁上，为圣诞树上发光二极管、装饰灯供电，为鱼缸水中灯泡或小型电机供电。薄膜电源由四层塑料薄膜组成，最低一层是电导可控的有机晶体管，上面是感测兼容电子设备接近的铜线圈，再上面是接通或关闭电源的MEMS开关，最上面一层是传送电能的铜线圈。制作工艺采用了丝网印刷和类似于喷墨打印的新工艺。它的工作过程是这样的；当物体处于薄膜2.5cm范围内时，最靠近的MEMS开关接通电源，电感线圈就利用感应原理向设备供电。据称，该项技术的效率是很高的，电源传输效率可达81.4%。目标的价位每平方米约100美元。

英国一家公司Splash power推出一款利用电磁感应原理的手持式设备无线充电器。主机Splash Pad是一个经久耐用、鼠标垫大小充电座，另一个部件是安置在PDA或手机内的Splash Module。图5是它的原理图。当设备放置在Splash Pad上时，Splash Module有效地从充电器吸收能量，为设备中的电池充电。Splash Module可按产生的电功率要求、空间大小和形状定制，直接整合在设备中，或作为一个附件使用。它的优点是：

图5 Splashpower系统示意图.高效率接收器，符合设备充电协议。

.实时、合理的检测器，防止充电器误用。

.自动处于低功率状态，符合欧洲EnergyStar准则。

.可缩放的磁芯体拓扑，支持目前的和未来的产品市场。

电磁感应还被用来为MEMS器件供电。MEMS器件，尤其是内置执行器的微型器件对电源有特殊要求，这里无线供电就显示出它的优越性，没有物理限制，高电压和高功率可能性。实验采用类似于铁氧体变压器结构形式，初级线圈绕在磁芯上，次级级圈则制作在硅片上，由于次级线圈是分离的，磁芯一臂留有空隙，以便芯片放置在其中。变压器的具体参数列于表1。

上面已提及，变压器的耦合系数是个重要参数，其效率直接与它有关。就目前这种结构而言，效率肯定要打折扣。为了提高优值，初级线圈的绕制方法十分关键。图6列举了三种绕制方法，初级绕在磁芯的主臂上，初级绕在磁芯副臂的一侧，初级分别绕制在磁芯空隙的两侧。图6下面示出了三种绕制方法的实测耦合系数，可以看出，第三种绕制方法有较高的效率。实际使用2mm空隙，效率可达80%。芯片上的寄生电容限制了变压器工作频率在几个MHz，产生的电压可达223.4Vpp，功率达4.5Wrms。

图6 三种绕制方法及其相应的耦合系数非辐射性谐振磁耦合方案

麻省理工学院(MIT)以Marin Solijacic为首的研究团队首次演示了灯泡的无线供电技术，他们从6英尺的距离成功地点亮了一个60W灯泡。这个实验立即引起了人们的极大关注并进行了广泛的报道。演示装置包括直径为3英尺的匹配铜线圈，以及与电源相连的工作频率在兆赫范围的传输线圈。接收线圈在非辐射性磁场内部发生谐振，并以相同的频率振荡，然后有效地利用磁感应来点亮灯泡。他们还发现，既使两个谐振线圈间有障碍物存在时，也能让灯泡继续发光。

这项称为Witricity的无线供电技术，关键在于非辐射性磁耦合的使用，两个相同频率的谐振物体产生很强的相互耦合。普通的磁耦合被用于短距离范围，它要求被供电或充电的设备非常靠近感应线圈，因为磁场能量会随距离的增加而迅速衰减，因而在传统的磁感应中，距离只能通过增强磁场强度来增加。与此不同，Witricity使用匹配的谐振天线，可使磁耦合在几英尺的距离内发生，而不需要增强磁场强度。电磁波无线功率传输虽然有较长的传输距离，但传输的功率只有几微瓦到几毫瓦。该团队在成功地点亮灯泡后，准备通过设计一个装置来演示以无线方式对笔记本电脑进行供电(图7)。电能通过导线1输送至10MHz谐振线圈天线2，“能量尾巴”3到达6.5英尺外的接收线圈，接收线圈4以相同频率谐振，接收的电能经耦合匹配，整流后供笔记本电脑使用。来传输电能5驻留在谐振场中，不像辐射电磁波将很多电能浪费在辐射空间中。

图7 Witricity无线供电装置示意图MIT研究人员认为，他们发现的是一种全新的无线供电方法，非辐射电磁能谐振隧道效应。例如在微波波段，一个号角波导产生一个衰减(Evanescent)电磁波，倘若接收波导支持相应效率的电磁波模式，即衰减场传播波模式，能量就从一个媒体以隧道方式传输至另一个媒体。换句话说，衰减波耦合是隧道效应在电磁场中的具体体现。在本质上，这个过程与量子隧道效应相同，只是电磁波替代了量子力学中的波函数。这个方法也称为共振感应耦合，以区别于普通电磁感应耦合，它使用单层线圈，两端放置一个平板电容器，共同组成谐振回路，减少能量的浪费。

当然，也有研究人员认为，MIT的实验可用电磁波近距离(在波长的范围内)辐射原理来解释，此前已有类似的技术，比如无源RFID标签。谐振耦合虽能增加传输距离，但因增加了一个电容器，从而也增加了体积。此外，谐振回路有一个重要参数品质因子，高品质因子表明谐振时能量损耗少，另一方面，高品质因子意味着谐振带宽窄，会带来系统设计的难度。除了上述因素，还要考虑：

.安全性：人们佩带的金属质项圈、项链等也是一个环形线圈，在某些场合若形成谐振回路会影响系统工作，也存在一些不安全因素。

.串扰：串扰是同一个场所内各种电磁波间不希望有的耦合。这个问题是现实存在的，应予以关注和解决。

.效率：线圈之间的耦合有极强的方向性。平行时耦合强，垂直时几乎没有耦合，被供电设备的放置会对效率有很大影响。

结语

本文简要地介绍了无线供电的几种常用方案以及相关的一些产品。在所涉及的方案中，MIT研究人员进行的实验以及他们所论述的原理引起了人们极大的关注。人们期待无线供电技术有新的突破，就目前情况而论，该项技术还处于探索阶段，虽然已有一些初级产品，在实用化、普及化之前，还有大量的工作要做，存在的问题也有待解决。(东华)