電話、電燈、電腦、電冰箱，風馳電掣、電閃雷鳴、電光火石、電光朝露，不管是日常生活還是文學隱喻，電一直都是我們身邊不可或缺的工具。如果追溯歷史，第二次工業革命便是以電力的大規模應用為代表，電燈的發明為標誌。
現代生活，電氣設施為我們的生活帶來了越來越多的便利，人們早已習慣了有電的生活。大到電腦、冰箱、空調、電車、動車，小到手電筒、電動牙刷、運動手環，一旦發生了「停電」或者「沒電」，就有人大呼「發生事故」，這反映了人們對缺少「電」的焦慮。而在這個人人必備手機的時代，人們很大一部分的焦慮則是來自手機電量低於20%的提示音。
我們使用電的方式主要由兩種，一種是來自直接對輸送來的電量進行使用，而不是來自電量存儲設備，例如電冰箱、空調這些電器；一種是來自電量存儲設備（例如電池）的供電，如果電量存儲設備的電量告罄，我們還需要對其進行充電，例如電動車、手機等。
隨著用電器件的激增，越來越多的電線也讓我們越來越煩躁，它們相互纏繞，糾纏不清，於是人們就開始想，既然以前的網線現在都升級成無線WIFI了，那麼我們的電線供電是否也可以轉成無線供電。其實，對於無線供電的探索在很早之前就已經開始了。
一、無線的探索之途
對於無線供電的探索，最先做出巨大貢獻的一位人物便是在交流電領域聞名遐邇的美籍塞爾維亞裔科學家尼古拉·特斯拉。特斯拉在1891年發明特斯拉線圈，它是一種使用共振原理運作的變壓器，主要用來生產高電壓、低電流、高頻率的交流電力。其實特斯拉線圈比較難以界定，因為特斯拉實驗了大量的線圈配置。特斯拉利用這些線圈進行了如電氣照明、螢光光譜、X射線、高頻率的交流電流現象、電療和無線電力等的實驗，以便進行電力傳輸。
尼古拉·特斯拉
1891年7月30日，35歲的特斯拉加入美國國籍，同年在紐約第五大道建立了自己的實驗室。在那裡他用機電振蕩器進行了機械共振實驗，使周圍的一些建築物產生了共振。隨著速度的增加，他用儀器測出了房子的共振頻率。他還在紐約一些地方用無線電點亮了那裡的電燈，為無線傳輸的可能性提供了證據。這也是無線供電開始被研究的重要節點。
1899年，特斯拉決定遷往可以讓他有做高頻高壓實驗的地方——科羅拉多州的斯普林斯，並開始在那兒進行研究。到達後不久他向記者說，他正在做將訊號從派克斯峰（附近的一座山）送到巴黎的無線傳輸實驗，即特斯拉正在研究如何無線傳輸能量與電力。
通過幾個月的研究，1900年，特斯拉決定在紐約長島興建一座進行跨大西洋無線電廣播和無線電能傳輸實驗的「特斯拉線圈」——沃登克裡弗無線傳輸電能塔。特斯拉想基於這個塔為將來實現對全球無線設備進行無線供電的設想提供基礎。
遺憾的是，1901年12月12日，馬可尼完成了跨大西洋的無線電傳送實驗，由於馬可尼趕在特斯拉之前成功完成了實驗，摩根停止了對特斯拉實驗的資助。1903年，特斯拉陷入了財政危機。1912年，沃登克裡弗塔也被拆除。雖然這個實驗失敗了，但是特斯拉為無線供電提供的理論和實驗基礎，為將來的無線供電的實現提供了非常大的幫助。
沃登克裡弗塔
現在讓我們來到2007年。MIT有一個叫做WiTricity的實驗項目小組，它由Marin Soljai教授領導。這個研究小組的研究對象是磁耦合共振技術。2007年，Marin Soljai教授和他的助手在距離2米的情況下成功實現了首次高效的非輻射功率轉換，點亮一個60瓦的燈泡。能量轉移效率高達40％。此次試驗也被認為是第一次現代意義上的無線供電。
MIT無線輸電實驗
Soljai教授在無線能量傳輸方面的實驗和工作與20世紀早期特斯拉的工作相關，但也有顯著差異：與特斯拉在科羅拉多州的遠程無線能量傳輸不同，WiTricity小組只關注短距離傳輸，運用的是磁感應方式，而特斯拉運用的是磁共振方式。
後來受這個小組的啟發，WiTricity公司成立。該公司主要研發無線輸電技術，已經與汽車製造商奧迪、寶馬、克萊斯勒、捷豹、日產和豐田合作。
2009年，WiTricity公司的新技術由CEO Eric Giler在牛津舉辦的TED大會上展出。這次大會上，其展示了對一臺電視和三部手機進行同時無線供電。
二、無線的傳輸之道
無線供電的歷史就介紹到這裡，下面我就來看看這個過程到底是怎麼完成的。上文提到，用電主要由兩種方式，無線供電也是同樣的道理，可以分為無線輸電和無線充電，由於兩者只是在電能使用方式上有差別，下面我們便以無線充電為例對無線供電原理進行介紹與講解。
上面講到，MIT成功完成了2米距離的無線電力傳輸實驗。對於無線充電技術的標準化便成為了需求，而且一旦標準化，對於無線充電技術的大規模研發和使用也將起到重大的推動作用。
2009年1月，WiPower公司制定了磁共振A4WP標準，支持高達50W的功率傳輸，距離可達5釐米，功率傳輸頻率為6.78MHz。
2010年7月，Wireless Power Consortium（WPC）制定磁感應Qi標準。制定了5W或更小的移動終端的標準。
2012年1月，IEEE發布磁感應PMA標準。
2015年9月，A4WP與PMA合併成AirFuel Alliance（AFA），推動統一無線充電標準。
至此，在無線充電領域便形成了兩大標準體系，WPC的Qi標準，以及AFA的AirFuel Resonant（A4WP標準）和AirFuel Inductive（PMA標準）。
雖然是兩大標準，但是在基本的原理上卻有相似的部分。Qi標準與AirFuel Inductive標準相似程度很高，均使用磁感應技術，兼容性比較高；而AirFuel Resonant則與前兩者完全不同，使用的是磁共振技術。因此我們不需要把WPC和AFA完全對立，因為無論充電器還是接收器在選擇標準的時候，最先考慮的可能是使用磁感應還是磁共振技術。
無線充電技術分類
無線充電方式主要分為非放射性和放射性兩大類型。其中放射性分為電波（微波）式和雷射式，非放射性分為磁耦合式和電耦合式，現在主流方式是通過磁耦合式進行電力傳輸，磁耦合式則包含上面提到的電磁感應式與磁共振式兩種方式。下面將主要介紹這兩種方式，並簡要介紹其他的無線充電方式。
不管是磁感應式是還是磁共振式，依靠的原理都是電磁感應。電磁感應是發電機、變壓器等多數電力設備操作的基礎。麥可·法拉第一般被認定為於1831年發現了感應現象的人。
電磁感應是指放在變化磁通量中的導體，會產生電動勢。此電動勢稱為感應電動勢或感生電動勢，若將此導體閉合成一迴路，則該電動勢會驅使電子流動，形成感應電流（感生電流）。也就是我們通常所說的變化的磁場形成電場，可以簡述為磁生電。磁生電的定量關係則由法拉第電磁感應定律給出。我們平時看到的交流電變壓器也正是用的這個原理。變壓器還用到了電流的磁效應，即電流周圍會產生磁場，變化的電流產生變化的磁場，簡述為電生磁。電生磁現象則是由丹麥物理學家、化學家漢斯·克裡斯蒂安·奧斯特於1820年發現。
1.磁感應式無線充電
電磁感應示意圖
上圖則簡單描述了這個過程。左邊的線圈通變化的電流，變化的電流產生變化的磁場，中間鐵圈則是為了鎖磁（即減少漏磁），右邊的線圈感受到變化的磁場，則產生了電流，右邊的電流表則會有指針波動。這就是變壓器的基本實現原理，兩遍線圈匝數的不同則可以實現電壓的轉換。
現在我們把上面的鐵圈去掉，把左右兩邊線圈拍扁壓平，接收線圈放在手機背面，發射線圈連接電源，我們就得到了一個原始的無線充電裝置。第一代的磁感應無線充電器便是這麼來的。
我們將發射線圈以及接收線圈的電感分別設為L1、L2，兩個線圈間的互感設為M，磁耦合程度以耦合係數k表示，則可成立以下公式：
兩個線圈的電感與互感存在L1L2≧M2的關係，為此耦合係數的數值在0≦k≦1的範圍中。在沒有漏磁通的理想情況下，耦合係數為1，這種情況稱為全耦合，但實際情況中數值均在1以下，且線圈間的距離越大，漏磁通會越多，從而導致耦合係數下降，最終將會變為0。
磁感應式無線充電示意圖
我們上文提到的MIT實驗便是運用的磁感應式無線充電。磁感應無線充電的優點是，系統結構相對容易，系統成本相對便宜，可以小型化。但是缺點是磁感應式無線充電因為缺少了磁性材料的束縛，發射線圈的部分磁通就不會經過接收線圈，這稱為耦合度低。所以在充電中，線圈之間需保持較近距離，這是因為線圈之間距離越大，部分磁通將會變為漏磁通而無法進行傳輸，從而導致兩個線圈的磁耦合減弱。所以如果給手機充電，需要手機和無線充電器對齊貼緊。否則會遇到手機明明放在充電器上了，一覺醒來沒有充進電的尷尬。
2.磁共振式無線充電
磁共振式無線充電示意圖
磁共振式無線充電器則是用諧振器件（電感和電容）使發射端和接收端達到特定頻率，從而產生磁場共振，進而傳輸能量，即發射側與接收側的諧振頻率一致後進行電力輸送的方式。這個原理與聲音的共振原理相同。初中的時候我們都做過這樣的實驗，排列好振動頻率相同的音叉，一個發聲的話，其他的也會共振發聲。同樣，排列在磁場中的相同振動頻率的線圈，也可用一個向另一個供電。
磁共振式無線充電概念圖
通常我們使用的諧振器件是LC諧振電路，是包含一個電感（用字母L表示）和一個電容（用字母C表示）連接在一起的電路。振蕩電路中發生電磁振蕩時，如果沒有能量損失，也不受其他外界的影響，這是電磁振蕩的周期和頻率，叫做振蕩電路的固有頻率和固有周期。固有周期可以用下式求得：
所以當送電線圈通上了電源，和送電線圈具有相同固有頻率的受電線圈則會感應出電流，這樣就實現了電能的傳遞。之前介紹的TED展示和法拉第的大部分試驗，均是基於磁共振的無線充電。
這種方式的優點在於，可拉大線圈的對置距離，同時，即使線圈之間中心稍稍發生偏移的情況下也可進行電力傳輸，因此也可以用來同時為多臺行動裝置進行充電。但是缺點是系統結構相對困難，系統成本相對昂貴，而且難以小型化。
3.無線充電一般步驟
一般無線充電步驟分為：檢測、通信、供電三個階段。
（1）檢測階段：識別可供電設備及異物（FOD）。當接收器放置在發射器工作範圍內，發射器檢測是否是一個接收器靠近。
（2）通訊階段：進行身份認證。發射器發送數據包，並且為接收器供電啟動接收器，之後接收器回復響應數據完成身份的認證。
（3）充電階段：進行電能傳輸。在身份認證後，發射器根據接收器的設備類型，選擇相應的功率等參數，為接收器充電。
以Qi標準為例，整體流程如下：
Qi標準無線充電流程
需要說明的是，不管是磁感應式還是磁共振式，受電線圈感應出來的都是交流電，因為我們講解的是無線充電，所以感應出來的交流電需要給電池這樣的電能存儲設備進行充電，充電則需要直流電，所以在受電裝置中都會有整流和濾波電路，對交流電進行整流與濾波，經過處理後的電流便可以給電池充電了，以上便是無線充電的完整過程。
所以從以上的分析看來，不管是磁感應還是磁共振，都是既有各自的優點也有各自的缺陷，在可供電距離、系統結構難易度、系統成本、產品尺寸、同時充電臺數、充電功率、頻率、效率等方面並沒有一個是可以完全滿足我們在各個場景下都可以通用的要求，所以現在的無線充電還是處於一個比較尷尬的境地。
以上便是無線充電主要運用的兩種方式，下面簡要介紹其他的三種無線充電方式。
4.雷射式
電源系統作為能量源，為雷射器供電，將電能轉化為雷射能量；製冷系統的協同作用能夠保證更高的能量轉化效率。雷射能量經過跟瞄系統之後，準確傳輸到光伏陣列上；光伏陣列將雷射能量轉化為電能，為電池充電，從而為發動機提供能量或者完成其它任務。
5.無線電波式
這是發展較為成熟的技術，類似於早期使用的礦石收音機，主要有微波發射裝置和微波接收裝置組成，可以捕捉到從牆壁彈回的無線電波能量，在隨負載做出調整的同時保持穩定的直流電壓。此種方式只需一個安裝在牆身插頭的發送器，以及可以安裝在任何低電壓產品的「蚊型」接收器。整個傳輸系統包括微波源、發射天線、接收天線三部分；微波源內有磁控管，能控制源在2.45GHz頻段輸出一定的功率。
6.電場耦合式
利用通過沿垂直方向耦合兩組非對稱偶極子而產生的感應電場來傳輸電力。一般充電模塊是由2個非對稱偶極子按垂直方向排列而成的，這組偶極子各由供電部分和接收部分的活性炭電極和接地電極組成。無線供電模塊就是通過這2個非對稱偶極子的電場耦合而產生的感應電場來供電的。
三、無線充電的運用之法
原理就介紹到這裡，我們現在再來看看無線充電的應用領域。
WPC是目前最大的無線充電聯盟，會員數量超過200家，其中有諾基亞、HTC、LG、索尼、三星、高通還有新近加入的蘋果（蘋果的無線充電技術運用的正是Qi標準）。它在2010年制定公布的Qi規範是目前應用範圍最廣的無線充電標準，支持的產品超過 1300餘種。原A4WP的成員則有高通、三星、Duracell Powermat和英特爾等；PMA則得到了星巴克、Google和AT&T的支持。所以這三大標準正在不同的領域發揮著自己的作用和長處。
不過值得欣慰的是，在最新的Qi 1.2標準除了加入對多裝置充電的支持，也納入了磁共振技術，充電功率增加到2000W。Q1.2.2規範中，涉及的磁感應頻率在87～205KHz。WPC主席解釋了Qi最新標準的改動原因，一是給低功率的產品提供更大的空間自由度，主要是縱向距離，二是提供更大的功率。所以Qi標準在克服自身缺點，並為更好地推動無線充電在更廣泛的場景下的應用一直在做著努力。
除了手機、電動牙刷這樣的小器件是無線充電的試驗場，電動汽車也是各個商家們爭先搶佔的領域。
英國HaloIPT公司在倫敦利用其最新研發的感應式電能傳輸技術成功實現為電動汽車無線充電。在展示過程中，該公司將電能接收墊安裝於雪鐵龍電動汽車車身下側，這樣電池就可以通過無線充電系統進行無線充電。
三菱汽車展示供電距離為20cm，供電效率達90％以上，線圈之間最大允許錯位為20cm的無線充電方案。
電動汽車無線充電示意圖
還有將供電線圈埋入道路中，在紅燈停車時和行駛中為電動汽車充電的構想，以及利用植入軌道中的線圈為行駛中的磁懸浮列車供電的設想。
韓國首爾一座遊樂園內試運行一種新型電車。這種電車在鋪有電感應條的路面上行駛時可「無線」充電，不像傳統電車需通過路軌或頭頂電線獲得電力。
最後我們來總結下無線充電在應用領域的優缺點。無線充電在應用領域的主要優點有如下幾個方面：
安全：無通電接點設計，可以避免觸電的危險。在植入嵌入式醫療裝置上，可以在不損害身體組織的情況下對植入在人體內的醫療裝置進行充電而不需要有電線穿過皮膚及其他自體組織，免去感染的風險。
方便：充電時無需以電線連接，只要放到充電器附近即可。磁共振式無線充電還允許一個充電器可以對多個用電裝置進行進電，在有多個用電裝置的情況下可以省去多個充電器、不用佔用多個電源插座、沒有多條電線互相纏繞的麻煩。
儘管方便，但是無線充電還存在以下幾點不足：
充電效率低：一般充電器內也有變壓器，但無線充電以發射線圈及接收線圈組成的變壓器由於在結構上有限制，所以能量存送效率理論上會略低於一般充電器。若電源先由市電經適配器（降壓、整流、穩壓）後再接到無線充電器，如此經多重轉換，效率會更低。
充電速度慢：由於目前手機等接收設備，大多限制了輸入的功率，因此充電速度較慢。
成本高：在充電器需要有推動線圈的電子線路，而在用電裝置需要有電力轉換的電子裝置，兩者也需要有線圈，而且需要高頻濾波電路以滿足FCC之規範，因此成本比直接接觸為高。
不能在移動時充電：這個問題只在移動裝置上發生，例如電動刮鬍刀在充電時就不能移離充電器，若電動刮鬍刀內的電池剛完全用盡時就不能使用，反而傳統以電線連接充電的設計可以持續使用。
兼容性低：不同品牌的無線充電裝置因為無統一標準，因此不能通換使用。但近年，業界組織WPC開始推行標準化，所以有望達至標準統一。不過隨著Qi標準在2012年末廣泛用於多種流行手機，所以現在基本上提到「支持無線充電」就是「支持Qi無線充電」，但是未來發展則未可知。
發熱嚴重：由於電力轉換的電子裝置在工作時會有損耗，而且電子裝置十分貼近被充電的接收設備，因此使用者會在使用中感受到很高的熱量。其實這一點和傳統線充使用的適配器發熱是一致的。目前特斯拉無線設備公司的新產品解決了這一問題，使得充電時溫度和線充基本一致。
電池壽命耗損高：使用一般的有線充電時，裝置會讓充電器直接供給電源給裝置，並讓裝置得到休息。而在使用無線充電時，裝置並不會讓電池停止工作。無線充電把電池充飽一部分後，電池又供給電源給裝置，消耗掉部分電力後，充電器再把電力充進電池內。一來一往，讓電池不斷處在被使用的狀態，造成電池壽命的耗損。
儘管無線充電目前還是只在一些特定的領域發揮著作用，而且即使在各自的領域也面臨著一些問題，但是我們相信，隨著應用技術的發展與標準的完善，無線充電的運用領域與場景也會越來越廣闊，畢竟少一些電線對於強迫症來說真是太大的福音了。
（本文作者系中科院自動化所複雜系統國家重點實驗室研究生畢業，機器學習與計算機視覺方向算法工程師。）