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想你所不敢想:漫谈无线充电技术

  2 感应“垫子”上市,无线充电不是梦想

 

  香港城市大学的许树源教授早在几年前就曾经成功研制出一种“无线电池充电平台”,可将数个电子产品放在一个充电平台上,透过低频电磁场充电,充电时间与传统充电器无异,技术实现也不深奥。这种无线电池充电平台利用的就是变压器原理-变化的磁场中闭合的金属线圈会产生电流。而英国SplashPower公司2005年初上市的无线充电器Splash pads(图4),就是变压器原理商业化的无线充电产品。

 

  

 

  Splash Pads看上去就像一块柔软的鼠标垫,它的塑胶薄膜里面装有产生磁场的小线圈阵列(变压器原边),以及由磁性合金绕以电线制成的口香糖大小的接收线圈(变压器副边,可以贴在电子设备上,图5)。在CES 2007上,WildCharge公司也推出了两款无线充电器产品WildCharger和WildCharger-Mini(图6)。WildCharge的无线充电器与SpashPower公司的产品外观非常相似,也是垫子模样的东西。WildCharger的功率较大,除了可以给手机和媒体播放器充电以外,还可以为笔记本电脑充电,而WildCharger-Mini毕竟个子小,只能给手机等小型设备充电。据称WildCharge公司将从最近开始在网上销售这类无线充电产品。

 

  

  图5电磁感应方式的无线充电原理

  

 

  3 解决无线电力传输的距离问题——共振

 

  既然电磁感应方式实现并不复杂,为什么使用该类技术的无线充电器普及这么困难呢?简单地说,最大障碍就在“传输距离”方面。众所周知,传输电力即便通过金属线路传输,距离远了也会产生相当大的线路损耗,更别提通过空气传输了--距离增大以后感应的能量会迅速减少。可以想象,在一些特殊领域如果不能突破距离限制,无线充电已经毫无意义。例如植入体内的仪器,难道必须施行外科手术才能更换电池。太可怕了!还有那种安置在动物身上的无线定位装置,怎样为其补充电能也很关键。

  为了在无线传输距离上有所突破,MIT的助理教授马林·索尔贾希克(Marin Soljacic)和他的研究小组在长达4年的实验研究中终于获得重大突破。他们在实验中使用了两个直径为50cm的铜线圈,通过调整发射频率使两个线圈在10MHz产生共振,从而成功点亮了距离电力发射端2m以外的一盏60W灯泡。而且,即使在电源与灯泡中间摆上木头、金属或其它电器,都不会影响灯泡发光(图7)。

 

  

  图7两个线圈之间用木板隔断,对传输效果毫无影响

 

  同时,MIT的科学家们还对无线电力传输理论进行了研究。他们确定了两个电磁线圈之间形成磁场强耦合的条件,并给出了富有启发性的结论:

  a.可行性。通常情况下,电磁辐射具有发散性,相隔较远的接收器只能接收到发射能量的极小一部分。而当接收天线的固有频率与发射端的电磁场频率一致时,就会产生共振,此时磁场耦合强度明显增强,无线电力的传输效率大幅度提高。MIT的实验表明,当收发双方相隔2m时,传输60W功率的辐射损失仅为5W。因此,在几米内“中程”(相较于“近程”和“远程”而言)传输电力是可行的。

  b.安全性。从电磁理论而方,人体作为非磁性物体,暴露在强磁场环境中不会有任何风险。医院对病人进行核磁共振检查时,磁场强度高达B~1T也不会伤害人体。相比之下,共振状态下磁场强度处于B~10-4 T数量级,仅相当于地磁场的强度,因此不会对人体构成危害(图8)。

 

  

  图8索尔贾希克(第二排左一)与MIT研究小组成员在两个实验线圈之间留影,以消除人们对磁场辐射的担心。

 

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