無線充電，也稱為無線電力傳輸，是一種使電源能夠跨越氣隙將電磁能量傳輸?shù)诫姎庳撦d的技術(shù)，而無需互連電線。 這項技術(shù)因其便利性和更好的用戶體驗而吸引了廣泛的應(yīng)用，從小功率牙刷到大功率電動汽車。 如今，無線充電正迅速從理論向商業(yè)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)功能發(fā)展，尤其是手機和便攜式智能設(shè)備。 2014年，三星、蘋果、華為等眾多領(lǐng)先智能手機廠商開始發(fā)布內(nèi)置無線充電功能的新一代設(shè)備。 IMS Research預(yù)計，到 2016 年，無線充電市場將達到 45 億。Pike Research估計，到 2020 年，無線充電產(chǎn)品將增加兩倍，達到 150 億市場。
電磁學(xué)的研究起源于 1819 年，當(dāng)時 H. C. Oersted 發(fā)現(xiàn)電流會在其周圍產(chǎn)生磁場。 然后，導(dǎo)出安培定律、比奧-薩伐特定律和法拉第定律來模擬磁場的一些基本性質(zhì)。 緊隨其后的是 1864 年引入的麥克斯韋方程，用于描述電場和磁場如何相互產(chǎn)生和改變。 后來，在 1873 年，J. C. Maxwell 的著作《電與磁論》的出版統(tǒng)一了電學(xué)和磁學(xué)的研究。 從那時起，眾所周知，電和磁是由相同的力調(diào)節(jié)的。 這些歷史性的進步奠定了現(xiàn)代電磁學(xué)的理論基礎(chǔ)。
伴隨著電場和磁場兩大研究路線，歷史見證了一系列重要的技術(shù)突破。 1888 年，H. R. Herts 使用與感應(yīng)線圈相連的振蕩器通過一個微小的間隙傳輸電力。這首先通過實驗證實了電磁輻射的存在。交流電的創(chuàng)始人尼古拉·特斯拉是第一個進行基于微波技術(shù)的無線電力傳輸實驗的人。他專注于長距離無線電力傳輸，并于 1896 年實現(xiàn)了微波信號在 48 公里左右的距離傳輸。1899 年實現(xiàn)了另一重大突破，將 108 伏的高頻電力傳輸?shù)?25 公里的距離。英里來點亮 200 個燈泡并運行電動機。但是，特斯拉應(yīng)用的技術(shù)必須被擱置，因為在電弧中發(fā)射如此高的電壓會對附近的人類和電氣設(shè)備造成災(zāi)難性影響。
大約在同一時期，特斯拉還通過引入著名的“特斯拉線圈”，為推動磁場進步做出了巨大貢獻，如圖1所示。
圖1 特斯拉線圈
1901 年，Tesla 建造了 Wardenclyffe 塔，如圖2所示，通過電離層在沒有電線的情況下傳輸電能。 然而，由于技術(shù)限制（例如，由于大規(guī)模電場導(dǎo)致系統(tǒng)效率低），該想法尚未得到廣泛的進一步開發(fā)和商業(yè)化。 后來，在 1920 年代和 1930 年代，人們發(fā)明了磁控管，將電能轉(zhuǎn)換為微波，從而實現(xiàn)長距離無線電力傳輸。 然而，沒有辦法將微波轉(zhuǎn)換回電能。 因此，放棄了無線充電的發(fā)展。
圖2 沃登克里夫塔
直到 1964 年，被視為實用無線充電首席工程師的 WC Brown 通過整流天線實現(xiàn)了微波到電能的轉(zhuǎn)換。Brown 通過為模型直升機供電演示了微波功率傳輸?shù)膶嵱眯?，如圖3，它啟發(fā)了日本和加拿大在 1980 年代和 1990 年代期間對微波動力飛機的以下研究。
圖3 微波動力飛機
1975 年，Brown 在 1 英里的距離內(nèi)以 84% 的功率發(fā)射 30kW，與 JPL 戈德斯通設(shè)施的金星站點 ，如圖 4所示。太陽能衛(wèi)星（SPS）于 1968 年推出，是長距離微波功率傳輸?shù)牧硪粋€驅(qū)動力 。這個概念是在地球靜止軌道上放置一個大型 SPS 以收集太陽光能量，并通過電磁束將能量傳輸回地球。NASA 的 SPS 參考系統(tǒng)項目在 1970 年代和 1980 年代推動了大規(guī)模微波傳輸?shù)拇罅考夹g(shù)發(fā)展。同一時期，基于耦合的技術(shù)發(fā)展緩慢。盡管用于低功率醫(yī)療應(yīng)用的電感耦合在 1960 年代取得了成功并得到了廣泛應(yīng)用，但并沒有太多的技術(shù)進步。
圖4 JPLs Goldstone設(shè)施
最近對無線充電研究的興趣高漲主要是由于便攜式電子設(shè)備市場的需要。 1990年代，由于便攜式電子設(shè)備的爆炸式廣泛普及，商業(yè)化的無線充電產(chǎn)品開始出現(xiàn)。 基于遠場和近場的無線充電方法都在取得進展。2007 年，Kurs 等人提出了 Witricity 技術(shù)，如圖 5 所示，通過實驗證明中程無輻射無線充電不僅實用，而且 也有效率。 此外，輻射無線充電系統(tǒng)如 Cota 系統(tǒng)、PRIMOVE 和 Powercast 無線可充電傳感器系統(tǒng) （如圖 6所示）已經(jīng)商業(yè)化。
圖5 Witricity系統(tǒng)
圖6 Powercaster 發(fā)射器和接收機
最近，已經(jīng)建立了許多不同的聯(lián)盟，例如無線充電聯(lián)盟 (WPC)、電力事務(wù)聯(lián)盟 (PMA) 和無線充電聯(lián)盟 (A4WP)，以制定無線充電的國際標(biāo)準(zhǔn) . 如今，這些標(biāo)準(zhǔn)已在市場上的許多電子產(chǎn)品中采用，例如圖7所示的智能手機和無線充電器。
圖7 Qi 充電板
2014 年底，一項名為磁性 MIMO (MagMIMO) 的突破性技術(shù)如圖8所示， 已被設(shè)計用于執(zhí)行基于磁波的多天線波束成形。 該技術(shù)為磁場波束形成研究開辟了一個領(lǐng)域。 無線充電的歷史將繼續(xù)！
圖8 磁MIMO系統(tǒng)