无线输电：引领无尾电气时代

赵广立

无尾电气的到来

日本成功实验无线输电，点亮500米外LED灯之前，我国天津工业大学一支研究团队就在高铁列车无线供电方面取得重要进展，解决了长期制约高铁列车安全的技术难题，而且这项成果是入选2014中国科协夏季科学展的17项前沿科技成果之一。

如果说无线输电技术还属科技前沿，但无线充电技术已来到我们身边。手机、平板电脑、相机、笔记本……这些移动电子产品改变了我们的生活和娱乐方式。但这些移动电子设备都离不开电，走到哪儿都要充电。而伴随着无线充电技术走进人们视野，充电的烦恼也即将一扫而光。

谁都知道，手机是最先引入无线充电技术的电子设备。华南理工大学电力学院副院长张波告诉记者，现在已涌现出许多手机无线充电板，但在使用中还存在充电距离、效率以及充电设备体积问题。“但随着人们对无线技术的认识和输电水平的提高，在手机无线充电领域取得大的突破甚至产业化前景乐观。”

据了解，目前手机无线充电板多采用电磁感应方式进行电能传输，这种方式传输距离较短，给人“无线”印象还不太明显。

“手机无线充电技术已开始应用，将来还会有更新突破与进展。”哈尔滨工业大学电气学院副院长、智能测试及信息处理技术研究所所长朱春波透露，哈工大研究团队正在攻克较远距离的手机无线充电技术。

事实上，手机无线充电只是作为应用于诸多小功率电子设备的代表，无线充电技术的应用其实正延伸到更大功率的电气设备上，如海尔即将上市的无线供电无尾电视和无尾厨电。

与手机和无尾电视相比，人们对电动汽车无线充电想象更加动人。

“电动车本身还没得到普及，电动汽车的无线充电更无从谈起，但技术上还是越来越近了。”朱春波告诉记者，电动汽车有多种能量补充形式，但对比传统传导式充电，无线充电在安全性和接口标准化方面具有无可比拟的优势，这些优势可能会促进电动汽车的普及。

美国新闻纪录片《谁杀死了EV1》中的EV1是美国加州一款新型电动汽车，受到地方政府和老百姓的喜爱，但在电影结尾中这款产品被扼杀，原来通用公司的大股东们都是石油巨头，电动汽车的发展影响到他们的利益，正是他们杀死了深受百姓喜爱的EV1。在这部纪录片中，EV1最早用到了非接触充电技术，凭感应式充电器，充电时避免了人身伤害危险，非常安全。

2012 年，美国斯坦福大学首次提出“驾驶充电”概念，为电动汽车充电提出了新的解决方案，这意味着电动汽车可不必停下来充电而无限地跑下去。

设想一下，如果有一天，人们边开车边充电（需在道路设置无线充电装置）、停进车库按下按钮也可以充电。届时，这种动态充电与静态充电结合的电动汽车，将变成不折不扣的“傻瓜”车。

而在特殊应用领域，无线充电技术早已崭露头角。在水下（海底）移动装备的非接触电源接入、生物医电、旋转式设备、无线传感器等方面，无线输电技术正发挥着重要作用。

“目前，微小功率的无线输电技术实际应用已取得可喜进步，研以致用，以用促研。可以预计，再用10到15年时间，无线输电技术必将得到大面积推广应用。”重庆大学自动化学院党委书记、电力电子与控制工程研究所所长孙跃对无线输电技术充满信心。

无线输电的前世今生

尽管无线输电技术在今天看来属于前沿新兴科技，但早在一百多年前，“无线输电之父”尼古拉·特斯拉就对无线输电展开探索。

19 世纪末被誉为“迎来电力时代的天才”的尼古拉·特斯拉，曾致力于研究无线传输信号及能量的可能性。早在 1899 年，特斯拉在纽约长岛建造了无线电能发射塔，设想利用地球本身和大气电离层为导体来实现大功率长距离无线电能传输，可惜由于资金缺乏，这个塔最终并未建成。

2007年6月，美国麻省理工学院的马林·索尔贾希克研究小组宣布，利用电磁共振技术成功点亮了一个距离电源约2 米远的60瓦电灯泡，电能传输效率达到40%。该项技术的发布引起世界范围内磁谐振无线输电装置的研发热潮，德国、日本、新西兰等国家很快跟进了这方面的研究。

麻省理工学院的研究成果陆续发表后，国内还鲜有人知道磁谐振无线输电技术，因索尔贾希克的文章是从物理学角度阐述的，这对国内电工学研究者来说并不容易理解。

2008年，张波和他的学生对磁谐振无线输电用电工学的方法做了原理性解析，并做出实验进行验证，文章发表在《中国电机工程学报》上，成为后来国内无线输电技术研究者的必读文章。

彼时，朱春波正在哈工大开展无线传感器网络应用方面的研究，他发现无线传感器网络发展瓶颈技术之一就是供电技术。比如埋在路面或建筑物里的无线传感器，电池电量耗尽就宣告无线传感器的“寿终正寝”。受到索尔贾希克的启发，朱春波带领学生闯进无线供电这一陌生领域，成为国内研究无线输电的一支重要力量。2010年圣诞节前，他的学生运用磁谐振技术把1.5米高的圣诞树上的二极管彩灯点亮，还申请了专利。朱春波告诉记者，时至今日，尽管对无线输电领域的研究仍处于起步阶段，但人们已表现出越来越多的兴趣，对未来摆脱充电插头充满期待。

“一直以来，人们总是在不断寻求无线输电实用技术方案，并着力推进无线输电技术的实用化发展。”孙跃说，就目前技术成熟情况来看，无线输电技术主要还是解决移动电气设备的电能非接触接入问题，为人们更加便利和安全使用移动电气设备提供有效解决方案。

无线输电仍需技术突破

孙跃指出，尽管国内外在基于电磁感应耦合模式无线电能传输技术方面的发展及应用推广迅速，但目前在功率容量、传输效率、传输距离及电磁兼容等方面仍待进一步突破。

张波则认为，目前电磁感应、磁谐振等磁场输电技术相对成熟，但受限于周围环境影响等因素，传递效率和功率均无法满足人们日常需要，这可能意味着人们还未探索到磁场输电的“终极理论”。

“自然界都有它自己的规律，磁场传输能量肯定是有其路径，只是我们还没找到这个规律，这需要学术界下大力气去探索。”张波对记者说，这可能需要信息、控制、电子电力、材料甚至数学物理等学科交叉研究攻关，一旦探索到磁场传输电能的法门，其意义不亚于光纤的发明。

朱春波在研究中就遇到芯片“功能不够用”的瓶颈，比如更高频高功率的芯片，现在市场上还没有研发出来。“有些芯片不够用，技术参数达不到我们的要求。如果投入资金开发可以做出来，但由于短期内该芯片不会有太大需求量，多数企业不愿做这桩‘赔本买卖。因此，需要‘赔得起的企业为长远打算，提前占领市场。”

此外，还有多位专家表示，国内对无线输电技术方面的研究较少，队伍亟需壮大。尤其需要更多年轻人的加入。张波还指出，目前国内外从事研究无线电能传输的人员，大部分是来自通信系统、自动化等学科的“外援”，很少有专门做电能研究的科学家。“无线输电研究，在认识上还需得到进一步重视。”