“隊(duì)長(zhǎng)，看到今年智能車節(jié)能組比賽要求車模不允許使用導(dǎo)線給車模充電了。上學(xué)期在于老師的電路原理課上所學(xué)到的通過(guò)電路回路來(lái)進(jìn)行信息和能量的傳遞知識(shí)，都用不上了呀？如何將能量送到車模上呢？”

祖禪同學(xué)，你在課堂學(xué)的還只是基礎(chǔ)理論知識(shí)，先用于考試。現(xiàn)在參加智能車競(jìng)賽，需要將之前你在課上的知識(shí)串起來(lái)來(lái)分析和解決實(shí)際問(wèn)題了。雖然電源和車模之間的電線斷開(kāi)了，但是其中還有空氣、陽(yáng)光、空間和想象。

空 氣

你是問(wèn)，空氣如何傳遞能量是嗎？

雖然空氣一般情況下是絕緣體，但是它可以存儲(chǔ)和傳遞巨大的能力。人類很早就開(kāi)發(fā)利用風(fēng)能，像風(fēng)車、帆船?，F(xiàn)在全世界的12%的電能來(lái)自于風(fēng)能。

當(dāng)然，風(fēng)能也可能干壞事。威力巨大的臺(tái)風(fēng)，龍卷風(fēng)可能造成巨大的混亂。

空氣如何傳遞電能？

這就需要兩次轉(zhuǎn)換，一是將電能轉(zhuǎn)換成風(fēng)；二是借助于空氣的動(dòng)能（風(fēng)）吹到發(fā)電機(jī)上就可以再轉(zhuǎn)換成電能。你瞧，我手邊正好有一個(gè)帶著扇葉的直流電機(jī)。可以試試?yán)盟邮茱L(fēng)帶來(lái)的能量。

此時(shí)，直流電機(jī)就變成了直流發(fā)電機(jī)了。將它輸出的直流電壓連接三個(gè)大的紅色發(fā)光二極管，示波器上可以看到二極管上的電壓。

我這兒也沒(méi)有別的固定的裝置，就請(qǐng)祖禪同學(xué)幫忙拿著小風(fēng)機(jī)，我來(lái)使用實(shí)驗(yàn)室中的強(qiáng)力吹風(fēng)機(jī)發(fā)送風(fēng)能。

你看，伴隨著你的長(zhǎng)發(fā)的飛舞，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，這電能就通過(guò)兩次轉(zhuǎn)換，借助于空氣傳遞，最終點(diǎn)亮了發(fā)光二極管。只是稍微可惜，這樣傳遞的功率小了點(diǎn)，只有幾百個(gè)毫瓦。這在車模競(jìng)賽過(guò)程中，會(huì)消耗很多寶貴的時(shí)間。

你是說(shuō)，為了節(jié)省時(shí)間可以使用更大的風(fēng)機(jī)，吹更大的風(fēng)？

我想，到時(shí)候，只恐怕車模被吹翻了，都未必能夠達(dá)到所需要的功率。滿場(chǎng)都是被風(fēng)吹的亂跑的車模，比賽就成了風(fēng)車比賽了。

為了不讓車模被定向運(yùn)動(dòng)的風(fēng)吹翻，也可以通過(guò)來(lái)回振蕩的空氣傳遞能量，這就是聲能。利用了空氣的壓縮存儲(chǔ)的勢(shì)能與運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能之間形成聲波傳遞，帶著能量發(fā)送到車模。

這個(gè)原理是行的通的，但是現(xiàn)在高效率的聲能轉(zhuǎn)換器并不好找到。你瞧，這是利用普通的動(dòng)圈式揚(yáng)聲器作為聲音的換能器，兩個(gè)喇叭幾乎貼在了一起，所傳遞的能量還不足以點(diǎn)燃普通的發(fā)光二極管。

這主要是空氣的密度太低了，所能夠承載的能量密度有限，使得轉(zhuǎn)遞的效率和功率都無(wú)法滿足車模的需要。

智能永動(dòng)車

只要將電源電壓增加到足夠高，空氣就會(huì)被電離，形成可以導(dǎo)電的等離子通道。就像雷雨天中的閃電一樣，可以傳遞巨大的電能。

你看，我手邊的這個(gè)模塊是電擊警棍中的高壓模塊，它僅需要幾千伏的電壓就可以將空氣擊穿，是的電流通過(guò)兩個(gè)電極。

你是設(shè)想，在發(fā)車區(qū)中安裝兩個(gè)高壓電極直接對(duì)著車模放電，完成對(duì)于車模上儲(chǔ)能電容充電。這個(gè)主意極妙，我想現(xiàn)場(chǎng)一定會(huì)非常壯觀的。

這種方式真正使用起來(lái)，一方面?zhèn)鬏斝屎艿?，很大部分的能量都?huì)消耗在電離空氣中的熱、光、電磁輻射、聲能中，電極有效接受電能比例很小。另外，這也忒不靠譜。一旦擊中了車模上的芯片，傳感器什么的，就直接退場(chǎng)吧。

陽(yáng) 光

你也看得出，使用空氣傳遞電能，在車模比賽中的確不太靠譜，但還可以使用光進(jìn)行傳送電能。

是的，太陽(yáng)光電池可以將接收到的光轉(zhuǎn)直接轉(zhuǎn)換成電能給車模充電。實(shí)際生活中，已經(jīng)有一些太陽(yáng)能路燈、光電池屋頂陣列、太陽(yáng)能飛機(jī)在使用。據(jù)說(shuō)，Thales公司制作的StartoBus飛艇可以利用太陽(yáng)能停泊在平流層內(nèi)，替代衛(wèi)星完成勘察、導(dǎo)航、通信等功能。現(xiàn)在人類正在使用的大部分能源實(shí)際都是直接或者間接來(lái)自于太陽(yáng)光中的能源。

使用太陽(yáng)光電池傳遞電能，給車模充電的效果如何呢？

就像它叫太陽(yáng)光電池一樣，這類光電池最初是按照太陽(yáng)光譜設(shè)計(jì)的換能器，它只有在充足的陽(yáng)光下才能夠有最大功率的輸出。在實(shí)際生活中，只有普通的白熾燈的光譜和陽(yáng)光類似。其它的高效燈光都不太適合太陽(yáng)光電池。

曾經(jīng)，自動(dòng)化系的綜合電子設(shè)計(jì)比賽的內(nèi)容就是使用太陽(yáng)能電池作為動(dòng)力。現(xiàn)場(chǎng)比賽平臺(tái)上方掛個(gè)若干個(gè)浴霸燈泡，現(xiàn)場(chǎng)比賽氣氛紅騰騰，熱乎乎。車模大概就像曬完太陽(yáng)，剛睡醒的烏龜在比賽平臺(tái)上淺步緩行、舒展身姿。這用在火急火燎的智能車競(jìng)速比賽中，使用光電池恐怕不行。

當(dāng)然，還可以使用微波進(jìn)行能量傳輸，相應(yīng)的換能器的效率和功率都挺高。但是，微波輻射很難控制，我想沒(méi)有一個(gè)選手希望在現(xiàn)場(chǎng)成為微波爐里的烤雞。

空 間

別著急，祖禪同學(xué)，前面探討雖然都不合適，但還是可以使用空間來(lái)傳遞電能的。

傳統(tǒng)認(rèn)為，電能是依靠導(dǎo)線中的電子攜帶者從電源移動(dòng)到負(fù)載進(jìn)行傳遞的。實(shí)際上，在這過(guò)程中，電子運(yùn)動(dòng)速度很?。o(wú)論是熱運(yùn)動(dòng)速度還是定向平均速度），都無(wú)法達(dá)到在開(kāi)關(guān)閉合瞬間就將電能送到負(fù)載。其中起到關(guān)鍵作用的是電場(chǎng)在導(dǎo)線中高速傳遞（比真空中光速略低）完成的能量的傳遞。

電場(chǎng)不僅可以在金屬導(dǎo)線中傳遞，實(shí)際上在真空中傳遞更快。此外，磁場(chǎng)也可以存儲(chǔ)能量和傳遞能量。因此借助于電極板、線圈在電源與負(fù)載之間的空間中完成能量的轉(zhuǎn)換。

對(duì)， 你說(shuō)這不就是電容耦合和電感耦合嗎。是這樣的，區(qū)別就在于這里的電容或兩者電感是分成兩部分，而且相對(duì)可以運(yùn)動(dòng)的。

這里，就會(huì)使用到在電路原理中的基本知識(shí)了。為了克服電容和電感本身特性對(duì)于電能傳遞的阻礙，這里的傳遞的電能就不能夠是直流信號(hào)了。必須將電能轉(zhuǎn)變成交流信號(hào)才能完成傳遞。具體的基本原理就需要你再?gòu)?fù)習(xí)課堂內(nèi)的理論知識(shí)了。

你看這里，我將覆銅板的分成兩半，形成電容的兩個(gè)極板，上面施加交流電源信號(hào)，這作為電源的發(fā)射端。手中拿的是另外一塊覆銅板，也是分成兩個(gè)電極。將兩個(gè)電極輸出連接到剛才三個(gè)二極管和示波器。你會(huì)看到當(dāng)手中覆銅板經(jīng)過(guò)電源兩個(gè)極板上方時(shí)，通過(guò)電容的電場(chǎng)耦合，手中的覆銅板接收到交流電能，可以使得二極管發(fā)光。

接收到的功率與兩個(gè)極板重疊的面積、距離都有一定的關(guān)系。

同樣，下面演示是使用線圈進(jìn)行磁場(chǎng)耦合來(lái)傳遞電能。將剛才的交變電源接到下面的發(fā)射大線圈，就會(huì)在空間形成交變磁場(chǎng)。電能就存儲(chǔ)在磁場(chǎng)中。手中的小的接受線圈在經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)上方時(shí)就會(huì)感應(yīng)交變電壓，再次將磁場(chǎng)中的能量轉(zhuǎn)換成電能點(diǎn)亮發(fā)光二極管。

接收到的功率隨著發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)勢(shì)、接收線圈在交變磁場(chǎng)中的位置都有關(guān)系。

基于上述方式，車模上的接受電極板或者接受線圈與發(fā)射電極或者線圈相互對(duì)齊，距離合適，就可以源源不斷的通過(guò)空間的傳導(dǎo)獲得電能了。

本質(zhì)上，磁場(chǎng)感應(yīng)和電場(chǎng)感應(yīng)在傳遞能量上沒(méi)有太多差別。只是為了達(dá)到傳遞的功率，電場(chǎng)傳遞需要高電壓，磁場(chǎng)傳遞需要大電流。對(duì)于車模中的負(fù)載主要是電機(jī)，它是消耗大電流的。所以采用磁場(chǎng)耦合的方式效率會(huì)更高一些。

什么？你說(shuō)無(wú)線充電原理就這么簡(jiǎn)單？

這只是理論上簡(jiǎn)單。在工程上，還有很多問(wèn)題有待解決。就拿智能車比賽來(lái)說(shuō)，由于充電時(shí)間是計(jì)算在比賽時(shí)間內(nèi)的，如何能夠最大功率的從電源獲得能量就是最先解決的問(wèn)題，其它的效率、安全、通用等等都放在第二位了。

你說(shuō)從電源中獲得最大功率的問(wèn)題，在電路原理課程中進(jìn)行過(guò)討論。只要負(fù)載的阻抗等于電源的內(nèi)阻，此時(shí)負(fù)載就可以獲得最大的功率了。

如果問(wèn)題就這么簡(jiǎn)單的話，那么這只能算作電賽的一個(gè)題目。在智能車競(jìng)賽中，這其中的問(wèn)題就比較復(fù)雜了。首先，電源的內(nèi)阻不是一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻，而是具有電抗的復(fù)阻抗；其次，在智能車停泊在充電位置的時(shí)候，電源的復(fù)阻抗還在不停的變化，不可知；最糟糕是，作為整流充電負(fù)載它本身不是一個(gè)線性負(fù)載。

這個(gè)問(wèn)題既有趣，又有一定的挑戰(zhàn)性。這是我們下一次話題的重點(diǎn)。

想 象

要讓一個(gè)沒(méi)有電的車模跑起來(lái)，除了剛才說(shuō)的充電之外，還可以有其它方式。

實(shí)際上，早期有老師就建議，節(jié)能智能車比賽采用機(jī)械儲(chǔ)能方式進(jìn)行比賽。比如使用發(fā)條、橡皮筋等。后來(lái)，聽(tīng)說(shuō)有一個(gè)同學(xué)抱怨，說(shuō)這種彈力車比賽早就有了。更重要的是比賽的重點(diǎn)就會(huì)落在機(jī)械專業(yè)同學(xué)的頭上，自動(dòng)控制專業(yè)的同學(xué)就顯得有些雞肋，這與大賽定位不符。

也有同學(xué)建議，采用噴氣式驅(qū)動(dòng)車模運(yùn)行，比如采用壓縮空氣罐、氣球、噴氣酒精燈等。后來(lái)感覺(jué)，如果不讓車飛起來(lái)，就對(duì)不起這些天才的設(shè)計(jì)。

給汽車最快的充電莫過(guò)于直接進(jìn)行更換電池。據(jù)說(shuō)，清華三角洲智能車隊(duì)的最早幾個(gè)隊(duì)員后來(lái)就研發(fā)了電動(dòng)汽車自動(dòng)更換電池系統(tǒng)。

今年比賽不說(shuō)是車模上場(chǎng)前不讓帶有電池嗎，那么在比賽開(kāi)始之后，隊(duì)員從場(chǎng)外往車模上拋擲一個(gè)塊電池，落在車模上，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連接運(yùn)行，應(yīng)該也不違反比賽規(guī)則。

沒(méi)有了充電線的羈絆，車模就可以再賽道上無(wú)窮趨近的運(yùn)行下去了。今天，我們就討論的這兒吧。

對(duì)了，祖禪，我想起了一個(gè)問(wèn)題：上周，軟件組的寶強(qiáng)不是勸你去軟件組了嗎？后來(lái)為什么沒(méi)去呢...............