pg下载渠道 释放电力的自由：无线电能传输大揭秘

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本文乃第二届电力电子科普征文大赛的获奖之作，此作品是由来自香港科技大学的刘昶所投稿的。

在当下这个电子产品对人类生产生活方式有着深刻改变之际，大家对于无线充电技术早就并非陌生，日常能够接触到的消费类电子产品像手机、电动牙刷均可使用，然而你有无思考过为何此项技术如今才开始流行，它背后存在哪些原理以及奇妙的现象，有哪些已被运用在的场景是你或许不太熟稔的，未来又会如何去改变我们的生活呢，本文将会一一予以详尽述说。

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什么是无线电能传输技术

光从名称来看，无线电能传输，也就是Wireless Power Transfer，它指的是pg下载官方版打开即玩v1022.速装上线体验.中国，不依靠线缆的情况下，把能量由发射的一端传递至接收的一端，从广义的层面来讲，好多物理机制之下的能量载体都能够用来达成这项技术，像超声波，激光，微波等等之类的，不过，它们都并非是今天这个故事里的主角，在综合考虑成本、安全性以及传输距离等多种因素之后，在平日的应用场景当中，人们选用了低频电磁波这种形式，也就是几十kHz到几百kHz的范围，来实现能量的传输。建立磁场，最简单的方式是绕制线圈pg下载，建立电场，要用金属平板，可是金属平板以空气为介质形成的电容，其大小比较敏感，参数并不稳定，并且制造过程中，可能遇到难以实现器件间绝缘等问题，我们遇到的是用线圈传递能量的方案。而且因为线圈间是通过磁场作用，也就是依据法拉第电磁感应定律作用，这样的能量传递方式又被称作感应式无线电能传输。

图1，是手机无线充电的示意图，在左边，还有磁共振式无线电能传输的电路模型图。

其实，感应式无线电能传输，可理解成是把变压器里的磁芯给拿掉了，这降低了互感时的工作状态，互感越大，原边流过一定电流时副边能感应到的电压就越大，如果两个线圈离得比较近，该方法也能达到不错的效率。然而，为了去传输更大的功率，或者传输得更远的距离，于是人们提出了磁共振式无线电能传输技术，实际上其原理是非常简单的，因为互感大幅降低了之后，那就存在自感致使系统里无功功率过于大。那么我们运用电容把这多余的无功加以补偿，此刻要是工作频率跟原副边电路里电容电感谐振频率是相同的，这样就能够极大地提升传输效率！其中这种方法，和特斯拉线圈，是同一个原理，不一样的地方在于，我们常常运用功率半导体，去达成电路的通断，进而生成合适频率的交流输入，而特斯拉是借助空气，击穿与否，来导通或者关断电路，另外它副边的回路，是经由环状电极，对地电容所形成的。

图2. 特斯拉线圈电路模型（左）和放电效果图

你或许会感到莫名好奇pg下载网站麻将胡了，明明仅是借助低频的电磁场去传递能量，可为何直到2010年之后此项技术才渐渐开始流行起来呢？我觉着或许存在以下几个缘由：一呢，是半导体技术受限，虽说磁共振式无线电能传输在一百多年前就已被发觉，然而特斯拉线圈外部存在火花，既无法控制又不安全，这乃是因没有半导体器件充当电子开关所造成的技术手段，且自上世纪 80 年代起，功率半导体技术迅猛发展，才能够借助逆变器达成可控的交流源输入；二是移动设备的供电需求，在 iPhone 问世以后，众人对各类移动电子设备的依赖得以增强，而电池没办法满足长时间的运作，反复插拔属于颇为不简洁与不优雅的充电形式，所以人们产生了这般需求；其三是电池技术的进步，早在 1961 年美国通用电气公司就推行出了电动牙刷这类产品，不过因安装的是镍铬电池，寿命短，体积大，故而未能流行起来。

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应用领域

手机无线充电

依托磁共振无线电能传输这项技术，你能够轻易把手机放置在充电垫上，无需进行插拔充电线的操作。于这个相关领域内，Qi，其发音为“气”，这一标准乃是当前最为流行且为大众所普遍使用的一种标准。该QI标准是经由Wireless Power Consortium，也就可以说是无线电力联盟所制定而成的 ，它切实保证了品种多样、型号各异的设备都能够实现兼容，进而使用同一充电垫。这所表达的意思就是，你能够运用一个具备Qi兼容性的充电垫去为你的手机或者是其他 Qi兼容设备供电 ，而无需为兼容性方面的问题而担忧。当下，对Qi协议予以支持的常见手机厂商存在，苹果、三星、小米、华为等这些，其中小米以及华为还推出了功率更高的私有无线充电协议，并且，越来越多的汽车也着手配备无线充电功能，致使你在行车途中也能够随时给手机充电。

感应加热技术

有一种方法叫感应加热，它是依靠电磁感应原理去生成热量的，它把交流电流经由一个导体，这个导体一般是用铜或者铝等具有高导电率材料制成的线圈，进而在导体周边产生变化的磁场，当这个变化的磁场穿过临近的导磁材料，像铁、钢等，就会在其中产生涡流，因为金属内部存有电阻，这些涡流流动的时候会产生热量，借此达成加热的目标，在这个领域能量传输的接收端成了锅体，能够采用单纯的感应式无线电能传输，也可以运用磁谐振式来提升效率以及抗偏移性。感应加热技术有个典型应用是感应炉灶，在感应炉灶里，线圈中通有高频交流电流会产生磁场，当把铁质炊具放置在炉面上的话，炊具底部的金属材料就会产生涡流，并且迅速发热，进而加热炊具内的食物，感应炉灶响应快，热效率高，而且易于清洁，原因是只有炊具的底部会直接被加热，炉面自身不发热。

图3，磁谐振式无线电能传输情形下，用于感应加热的示意图，在左边，博世感应炉灶，在右边。

电动汽车无线充电

在我国，电动汽车已然是越来越常见了，它对传统燃油车的替代是我国能源转型、双碳目标的关键部分，可是当下电动汽车的电池在车身中占据着相当大的空间、有着一定重量而且成本不低，对电动汽车开展无线充电给出了别样的简洁高效供能办法。举例来说，自动泊车与无线充电组合起来，无需手动操作去插拔充电枪，这极大提升了充电场所在恶劣天气状况下的安全性；再比如说，于城市里的交叉路口或者其他停车位增添无线充电功能，能够减少有线充电的频次，使在城市中的续航得以延展。

图4，BMW 530e iPerformance，无线充电前，停车影像位于左边，还有充电的示意图。

现在，存在一小部分汽车制造商已把无线充电这项技术用在了部分它们所涉及的车型当中，比如说宝马，在它的530e iPerformance汽车里配置了那个东西叫BMW Wireless Charging，而这一款汽车呢也就是首款配备这项技术的实现量产的车型；还有奥迪那边有的部分混动如A8L e-Tron这样的车型也是支持无线能够进行充电的，并且它充电的时候呈现出来的过程就如同图5所展示的那样；再有沃尔沃，它的做法很明了便是会给瑞典那个区域的XC40纯电版本的车提供无线充电这样的一项服务；另外特斯拉以及国内的厂商智己，它们也都将要在以后会推出的车型里使用这项技术。当今，研究开发电动汽车无线充电时间长的商业公司之中，时间最长的是Witricity，它有着可在22kW功率传输状况下，效率得以达到92%以上的成熟方案。

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发展与挑战

着眼于发展前景而言，伴随科技持续进步，无线电能传输技术的效率得以不断提升，其稳定性也不断增强，进而致使其在各个领域的应用能够得以扩展，并且能够得以深化。它不会仅仅被局限于手机充电以及家用电器方面，还会在电动汽车、医疗设备、工业机器人等诸多领域获得应用的机会，为各个行业带来了更大程度的便利。除此以外，像Qi标准等相关内容的制定以及推广行为，对统一无线充电技术的规范以及标准有着一定的帮助作用，提升了设备之间的兼容性，推动了该项技术的普及以及应用。

然而，不能否认的是，当下无线电能传输技术存在着如下挑战 ，其一，就能量传输效率而言，相较于有线传输有着一定差距，尤其是在远距离传输以及大功率传输方面，存在着一定挑战 ；其二，该技术涉及电磁辐射以及电磁波的传输，可能会对人体健康乃至于周遭电子设备造成干扰，所以需要更为严格的安全标准以及监管措施 ；其三，无线电能传输技术的设备与基础设施建设成本较高，并且商业模式与盈利模式尚未全然成熟，需要进一步去探索与完善。四是，虽已出现一些标准，然而行业内存在多种不同技术，且存在多种不同标准，这对技术推广造成一定阻碍，对技术市场化也造成一定阻碍。

总体来讲，无线电能传输技术身为一项前沿科技，发展过程中机遇与挑战同时存在，只有充分施展技术创新的优势，积极去应对各类挑战，才能够推动这项技术持续且健康地发展，进而为人类社会带来更多便利与进步。