科学瞎想系列之四十三 无线充电

宝宝们平常用的手机、iPad、笔记本电脑、电动车等等都需要充电,现在宝宝们充电都是用个充电器,一头插在电源上,一头插在你的宝贝上进行充电,如果不用这些肠子肚子的电线连接就可以充电那该多爽!于是工程师们就想到了充电神器----无线充电!所谓无线充电就是不需要电力传输线将电能传递到需要充电的设备上,对这些设备的电池充电,这里就涉及到一个关键技术----电能的无线传输技术。其实早在1890年还没有手机、iPad这些宝贝之前,有个叫特斯拉的老爷爷就提出了无线传输电力的设想,只不过因种种条件所限,他的设想没有很好的实现。

老师在小的时候就对无线电很感兴趣,那时总有个疑问,既然有了无线电技术为什么还要架设那些电线干什么?都用无线电来传输多简单?现在想来,小时候真的很幼稚,认为电就是能点亮小灯泡的东东,只要有电就能点亮灯泡,检验是否有电就是看灯泡亮不亮,既然在远处能收到无线电,就一定能点亮那里的灯泡!我想许多宝宝们大概都有过这种想法吧。其实这种错误的认知主要是混淆了一个基本概念,那就是信号和能量的概念,我们平常所说的无线电传输都是指信号的传输,它所涉及的能量是极低的,只有毫瓦甚至微瓦级别,它只是把一些信息、信号通过无线方式传输出去,根本不会携带很多的能量,更点不亮灯泡,那些处理信号的电子线路和元器件(如检波二极管)与处理能量的电路及元器件(如整流二极管)是截然不同的两码事。也就是说,采用无线传输方式进行信号传输的技术已非常成熟,而用这种方式进行能量传输在技术上尚有一些瓶颈,特别是大功率的无线能量传输,技术上还没有重大突破。而能量的无线传输又是无线充电绕不开的必经之路。

尽管无线充电的路很艰辛,但还是有很多科研院所、大牌公司投入了巨大精力展开研发,接下来老师就给宝宝们从原理上说说无线充电是怎么实现的。

无线充电需要有发射端将授电电源的电能处理成适合于无线发射的制式,通过特定的传输介质或叫传输方式发送给接收端,接收端将接收到的电能再转化成用电设备电池充电所需要的电能制式,为用电设备充电。不同的传输方式方式决定了发射端和接收端对电能的处理方式不同,因此无线充电的技术路线就是按照无线传输方式的不同来区分的,目前无线充电主要有四种技术路线。

1 感应式充电。感应式无线充电技术是根据电磁感应原理实现的,其原理和老师前面所讲过的感应加热原理是一样的,发射端首先把工频交流电转变成中频交流电,通入一个感应线圈,这个感应线圈就会产生一个中频的交变磁场,根据变压器的原理,这个中频交变磁场就会在它附近的接收端线圈内感应出电动势,通过接收端的电子线路把这个中频感应电势处理成电池所需要的直流电压为电池充电(见下图)。这就相当于发射端和接收端的两个线圈共同构成了一个变压器的原副边线圈,通过它们之间的互感耦合完成电能的无线传输。为了能够高效地无线传输能量,一是需要两线圈要严格对齐,以增大之间的互感; 二是由于两线圈间没有铁心耦合,基本靠空气作为导磁介质,因此所需要的励磁电流较大,和感应加热器的原理一样,要减小励磁电流必须提高频率,通常感应式无线充电所使用的频率也与感应加热的频率相当,约在20~30kHz; 三是两线圈的距离不能太远,否则互感将与距离平方成反比地减小,大大影响传输效率,这也严重制约了此方式的传输距离,这种方式的传输距离只有几毫米至几厘米,被充电设备与充电器之间必须靠得很近,而且相对位置还要严格对正,尽管如此无线传递的功率也很小,大约在几瓦左右,只能给手机类的手持电子设备充电。由于这种无线充电方式接收端与发射端距离很近,相对位置严格对正,与传统有线充电方式的差别只是没有插接连接线而已,这不仅没有体现出无线充电的优势,甚至还不如有线充电方便,因此这种方式不能算真正意义上的无线充电。

2 谐振式充电。谐振式无线充电就是发射端和接收端各采用一个LC谐振电路(见下图),只要把二者的谐振频率调到一致,那么它们之间就会产生非常强烈的耦合,进行能量的无线传递,传输距离可达数米远,而且相对位置没有严格的对齐限制。这种现象在数学上可以用正弦函数的正交性来解释。老师知道一提数学宝宝们头就大,所以老师就不详细说数学了。只说点容易理解的,宝宝们可以自己做个小物理实验,在一根张紧的绳子上拴上几个(至少三个)小单摆,其中两个单摆的摆长相等,其余都不相等,你任意拨动一个相等摆长的单摆看看会出现什么现象,哈哈,另一个等摆长的单摆回很快大幅摆动起来,而其它不等摆长的单摆却几乎无动于衷。这个实验说明频率相等的单摆之间会高效地传递能量,而不同频率的就没有能量交换。类似现象还有,不知宝宝们听说过这样一个故事没有,一个歌唱家在唱歌时居然把一个装有一定水的杯子给震碎了,而其它装有不同水量的杯子却安然无恙,这也是共振的结果。再通俗一点讲,这就跟搞对象一样,只有两个人在一个频道上,才能来电,才能擦出火花,才能暗送秋波,不在一个频道上,你就是再怎么挤眉弄眼、搔首弄姿,对方也收不到你秋天的菠菜。在这种"爱情"力量的强大作用下,这种谐振式无线传输的能量可达数千瓦,加之较长的传输距离,不仅可以为各种电子设备无线充电,还可用于电动汽车等大功率设备进行无线充电,无论从功率还是距离方面这种方式才是真正意义上的无线充电。当然目前这项技术还在研发阶段,据说某大学实验室已经实现了在两米开外无线点亮了一盏60瓦的灯泡(原来那些大科学家也和老师小时候一样,用点亮灯泡来检验电)。另外这种方式由于距离远,传递功率大,辐射污染问题也是一个令人头疼还没解决的大问题。

3 无线电波充电。无线电波充电方式就是类似我们平常的无线电收音机一样,只不过收音机重点是处理无线电波中的信号,而这种充电器是把空间中的无线电波所含的能量收集起来为设备充电。无线电波传输距离远,但主要是传输信号,其能量是非常微弱的,因此这种充电方式的功率也是非常小的,一般只有几十毫瓦至一百毫瓦级别,功率小充电时间就非常地长,但由于空间中到处都存在无线电波,所以它可以随时随地为设备免费充电。

4 电场耦合式充电。上面提到的前两种充电方式是利用磁场耦合进行能量传输和充电,第三种是利用无线电波传输能量,电场耦合式是利用电场作为介质进行能量耦合传输,其原理是利用两个相互靠近的电极板,一个极板连接发射端,另一个极板连接接收端,通过在两个极板上的充放电传递能量。这种方式的优点是能量传输过程中发热小,传输功率在几瓦级别,传输效率较高。缺点是传输距离短(两个极板距离必须很近),只有毫米级别,传递功率小,充电时间长。

以上四种无线充电方式目前均处于技术研发阶段,尚无完善的成熟产品问世,从实用性角度看,可能前两种最有前途,特别是第二种,从功率和传输距离方面更有优势,但辐射污染是其最大的难题需要攻克。

说到这里,老师必须要讲一下个人观点,无线充电可能对我们目前的手持电子设备乃至电动汽车等大型设备的充电带来一定的方便,但仔细想想,它充其量也就是省去了我们插拔插销的举手之劳,如果只是这点方便却要兴师动众付出如此大的科研代价和能量损耗代价,甚至还可能会造成辐射污染危害健康,也真真地不值!虽然我们倡导依靠科技去追求更美好的生活,但我们举手之劳分分钟就可以搞定的事却非要耗费那么多的科研资源和能源,老师认为是不值得鼓励的。所以老师并不太看好目前这种为手机、iPad甚至电动汽车无线充电所做的努力。但老师认为做这些努力却有着更为伟大的意义,那就是大功率远距离无线传输能量技术的探索,因为在广袤的天空蕴含着无尽的能源,但太空的能量不可能通过输电线路传回地球,如果能够把这些能量用无线方式传回地球,那么人类能源危机可迎刃而解,这个意义要远大于解除我们插拔插销那些易如反掌的破事的意义!因此通过研究无线充电技术突破远距离大功率无线输电技术瓶颈更有意义!

原文发布于微信公众号 - 龙行天下CSIEM(gh_a8911987218e)

原文发表时间:2017-03-04

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