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想到未来特斯拉电动车可以不再连接充电桩而是直接无线充电是不是很炫酷?不过,让这一切技术成为可能还要归功于功勋卓越的科学家尼古拉˙特斯拉,正是他在100年前进行的无线电能传输实验为今天无线充电技术奠定了基础。经过多年的发展无线电能传输技术已经取得了哪些成绩?未来发展趋势如何?此文将带你进入无线电能传输的世界。
无线电能传输(Wireless Power Transfer)自20世纪初尼古拉˙特斯拉(Nikola Tesla)首次试验以来,已经有了一个多世纪的发展。从1891到1904年间,特斯拉展开了一系列试验,通过磁感应耦合线圈将交流电无线传输一个很短的距离。图1正是特斯拉试验的一个原理图,通过磁感应耦合,特斯拉成功通过无线电能传输的方式点亮了一只灯泡。
1901年,特斯拉开始在纽约长岛建造大型高压线圈——沃登克里弗塔,又叫做特斯拉塔,目标是构建全球输电系统的原型,可惜到1904年,他的计划被迫停止,至今也未完成。
自此以后,无线电能传输的研究开始向两个方向发展:
近场:或者叫做非辐射域。一般认为小于一个波长的距离。
远场:或者叫做辐射域。一般认为大于一个波长的距离。
近场方面,无线电能传输的主要实现方式有:磁感应耦合,电容耦合,动磁耦合。远场方面,无线电能传输的主要实现方式有:微波,激光。下面就说一下比较代有表性的磁感应耦合和微波。
磁感应耦合,又分为一般磁感应耦合和共振磁感应耦合。后者较之前者工作在一次侧和二次共同谐振频率上,由于耦合线圈具有很高的Q值,所以在谐振状态下可以实现高效率的感应耦合。此外,二者在工作频率和传输距离上也有一些区别。前者一般工作在Hz~MHz,适用于近距离传输;后者一般工作在MHz~GHz,适用于近距离和中距离传输。对于共振磁感应耦合,最著名的应该是MIT的研究者在2007年这篇paper里所述的工作,他们成功利用共振磁感应耦合的方式点亮了一个8倍于线圈半径的,2米之外的60W灯泡。
基于磁感应耦合的无线充电是目前研究最多,应用最广泛的方式,从我们生活中熟悉的电动牙刷,手机,到电动汽车,再到植入人体的医疗设备,无线充电以可以接受的的充电效率和其他众多优势(安全,多设备同时充电,酷炫等等)已经被应用到众多产品中。图3~5分别是磁感应耦合式无线充电实际应用。
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