无线充电大解构


无线技术是新潮流，科技进步使我们能摆脱电线的缠绕， 让我们享受到以无线充电座或支架为手机充电的便利体验。 你有想过无线充电器如何运作吗？答案也许比你想象的简单得多！

无线充电又称为感应充电，运作原理基于电磁学和电磁感应范畴中一些物理 学原理。我们第一个要了解的是安培定律，它表明导体中的电流会产生与其 强度成正比的磁场。如果我们为一个螺线管（螺旋线圈）接上电源，螺线管 就会变成一块电磁铁，两端会根据电流方向一端成为南极，另一端成为北极。

这就是安装在充电座里的发射线圈。当发射线圈插上电源后，电流会通过线圈 使其成为电磁铁。如果接上交流电，电子的流动方向会不停改变，使电磁铁 的两极不断互换，从而产生不断变化的磁场。

接下来是第二个原理：法拉第电磁感应定律。这个由米高．法拉第（Michael Faraday） 于1831年发现的定律指出变化中的磁场可以感生出称为电动势的电压，它可以驱使电流在 导体内流动。

如果我们利用这个原理，将一个接收线圈安装到我们想要充电的设备中， 这个线圈就会接收到不断变化的磁场，并产生电动势，最终感生出电流通过 设备。现在我们不就是能无线传输电流了吗？由于智能手机和手表只能用 直流电充电，因此有种称为整流器的电子零件可以透过限制电流方向，将 感生而来的交流电转换成直流电。

许多人可能不知道，无线充电并不仅被用于手机充电，研究人员亦一直寻求为 医疗仪器无线供电的方案。理论上，磁场可以穿透皮肤并感生电流为已植入体 内的仪器充电 [1]。这个原理未来可能会带来革命性的改变，让使用心脏起搏器 的患者不再需要接受重复手术以更换电池 [2]，亦能使植入左心室辅助装置（ 供末期心脏衰竭患者用的机械泵）的患者不再需要透过皮下导线供电，从而避免 相关感染风险 [3]。然而，在应用无线充电技术的医疗仪器商品化之前，设计人 员仍需克服一些技术挑战，例如线圈之间的错位问题和高功率传输造成的烧伤等 [2, 4]。

无线充电系统亦可能是电动车的未来方向。平治（Mercedez-Benz）早在2017年就已经为旗 下一款汽车型号提供无线充电选项 [5]；最近电动车公司的领头羊特斯拉（Tesla）也表示 对开发自家无线充电技术感兴趣 [6]。可是，建设基础设施对推广无线充电至关重要，例如 设立更多设置充电板的充电站等，这某程度上解释了汽车制造商普遍不愿意将无线技术纳入 其产品的原因 [6]。这是个「先有鸡还是先有蛋」的问题：驱使汽车公司投放资源于发展无 线技术的诱因是电动车的需求，但目前这一需求又受制于公共充电设施的普及性。

尽管技术离发展成熟还有一段距离，但工程师们已经在城市规划方面构想出一些具前瞻性的新颖 想法。底特律就建造了美国第一条无线充电道路进行试点测试 [7]，在道路下方安装了电磁 线圈。当车辆驶过这条400米长的道路时，车辆电池就能够进行感应充电。这方案有望在未来被 用于延长电动车的续航力。

这只是无线充电在未来可行应用的数例。为了让技术变得更智能和实用，开发者肩负起让我们生活 变得不受拘束的责任。从家居应用到高科技产业，越来越多设备走上无线化的道路，接下来的设 备又会是哪个呢？

参考资料：

  1. Mussivand, T., Miller, J. A., Santerre, P. J., Belanger, G., Rajagopalan, K. C., Hendry, P. J., Masters, R. G., Holmes, K. S., Robichaud, R., Keaney, M., Walley, V. M. & Keon, W. J. (1993). Transcutaneous Energy Transfer System Performance Evaluation. Artificial Organs, 17(11), 940–947. https://doi.org/10.1111/j.1525-1594.1993.tb00407.x
  2. Salloum, W., Ghosson, Y., & Fardoun, A. (2022). Wireless Pacemaker Battery Charger. 2022 IEEE 4th Eurasia Conference on Biomedical Engineering, Healthcare and Sustainability (ECBIOS). https://doi.org/10.1109/ECBIOS54627.2022.9944998
  3. Pya, Y. (2020). Transcutaneous Energy Transmission: Can we do it now? The VAD Journal, 6(2), e2020624. https://doi.org/10.11589/vad/e2020624
  4. Horie, H., Isoyama, T., & Ishiyama, K. (2023). Design of an Innovative Wireless Left Ventricular Assist Device Driven by either Extracorporeal Magnets or an Intracorporeal Battery Pack. ASAIO Journal, 69(2), e73-e79. https://doi.org/10.1097/MAT.0000000000001874
  5. Mercedes-Benz of Silver Spring. (n.d.). Mercedes-Benz, Qualcomm Unveil Wireless Charging for Plug-in Hybrid S-Class. https://news.mercedesbenzsilverspring.net/article/mercedes-benz-qualcomm-unveil-wireless-charging-for-hybrid-s-class
  6. Alake, T. (2024, February 20). Wireless Charging for Electric Cars Is Inching Closer to Reality. Bloomberg. https://www.bloomberg.com/news/articles/2024-02-20/wireless-charging-for-electric-cars-is-inching-closer-to-reality
  7. Paris, M. (2022, January 31). Wireless charging: The roads where electric vehicles never need to plug in. BBC. https://www.bbc.com/future/article/20240130-wireless-charging-the-roads-where-electric-vehicles-never-need-to-plug-in

作者︰
Daria Zaitseva，《科言》学生编辑，香港科技大学

翻譯：
刘劭行，《科言》总编辑，香港科技大学

插圖︰
魏敏仪，《科言》学生设计师，香港科技大学

2025年6月