智能永动车
“队长，看到今年智能车节能组比赛要求车模不允许使用导线给车模充电了。上学期在于老师的电路原理课上所学到的通过电路回路来进行信息和能量的传递知识，都用不上了呀？如何将能量送到车模上呢？”
祖禅同学，你在课堂学的还只是基础理论知识，先用于考试。现在参加智能车竞赛，需要将之前你在课上的知识串起来来分析和解决实际问题了。虽然电源和车模之间的电线断开了，但是其中还有空气、阳光、空间和想象。
空 气
你是问，空气如何传递能量是吗？
虽然空气一般情况下是绝缘体，但是它可以存储和传递巨大的能力。人类很早就开发利用风能，像风车、帆船。现在全世界的12%的电能来自于风能。
当然，风能也可能干坏事。威力巨大的台风，龙卷风可能造成巨大的混乱。
空气如何传递电能？
这就需要两次转换，一是将电能转换成风；二是借助于空气的动能（风）吹到发电机上就可以再转换成电能。你瞧，我手边正好有一个带着扇叶的直流电机。可以试试利用它接受风带来的能量。
此时，直流电机就变成了直流发电机了。将它输出的直流电压连接三个大的红色发光二极管，示波器上可以看到二极管上的电压。
我这儿也没有别的固定的装置，就请祖禅同学帮忙拿着小风机，我来使用实验室中的强力吹风机发送风能。
你看，伴随着你的长发的飞舞，风机的转动，这电能就通过两次转换，借助于空气传递，最终点亮了发光二极管。只是稍微可惜，这样传递的功率小了点，只有几百个毫瓦。这在车模竞赛过程中，会消耗很多宝贵的时间。
你是说，为了节省时间可以使用更大的风机，吹更大的风？
我想，到时候，只恐怕车模被吹翻了，都未必能够达到所需要的功率。满场都是被风吹的乱跑的车模，比赛就成了风车比赛了。
为了不让车模被定向运动的风吹翻，也可以通过来回振荡的空气传递能量，这就是声能。利用了空气的压缩存储的势能与运动的动能之间形成声波传递，带着能量发送到车模。
这个原理是行的通的，但是现在高效率的声能转换器并不好找到。你瞧，这是利用普通的动圈式扬声器作为声音的换能器，两个喇叭几乎贴在了一起，所传递的能量还不足以点燃普通的发光二极管。
这主要是空气的密度太低了，所能够承载的能量密度有限，使得转递的效率和功率都无法满足车模的需要。
智能永动车
只要将电源电压增加到足够高，空气就会被电离，形成可以导电的等离子通道。就像雷雨天中的闪电一样，可以传递巨大的电能。
你看，我手边的这个模块是电击警棍中的高压模块，它仅需要几千伏的电压就可以将空气击穿，是的电流通过两个电极。
你是设想，在发车区中安装两个高压电极直接对着车模放电，完成对于车模上储能电容充电。这个主意极妙，我想现场一定会非常壮观的。
这种方式真正使用起来，一方面传输效率很低，很大部分的能量都会消耗在电离空气中的热、光、电磁辐射、声能中，电极有效接受电能比例很小。另外，这也忒不靠谱。一旦击中了车模上的芯片，传感器什么的，就直接退场吧。
阳 光
你也看得出，使用空气传递电能，在车模比赛中的确不太靠谱，但还可以使用光进行传送电能。
是的，太阳光电池可以将接收到的光转直接转换成电能给车模充电。实际生活中，已经有一些太阳能路灯、光电池屋顶阵列、太阳能飞机在使用。据说，Thales公司制作的StartoBus飞艇可以利用太阳能停泊在平流层内，替代卫星完成勘察、导航、通信等功能。现在人类正在使用的大部分能源实际都是直接或者间接来自于太阳光中的能源。
使用太阳光电池传递电能，给车模充电的效果如何呢？
就像它叫太阳光电池一样，这类光电池最初是按照太阳光谱设计的换能器，它只有在充足的阳光下才能够有最大功率的输出。在实际生活中，只有普通的白炽灯的光谱和阳光类似。其它的高效灯光都不太适合太阳光电池。
曾经，自动化系的综合电子设计比赛的内容就是使用太阳能电池作为动力。现场比赛平台上方挂个若干个浴霸灯泡，现场比赛气氛红腾腾，热乎乎。车模大概就像晒完太阳，刚睡醒的乌龟在比赛平台上浅步缓行、舒展身姿。这用在火急火燎的智能车竞速比赛中，使用光电池恐怕不行。
当然，还可以使用微波进行能量传输，相应的换能器的效率和功率都挺高。但是，微波辐射很难控制，我想没有一个选手希望在现场成为微波炉里的烤鸡。
空 间
别着急，祖禅同学，前面探讨虽然都不合适，但还是可以使用空间来传递电能的。
传统认为，电能是依靠导线中的电子携带者从电源移动到负载进行传递的。实际上，在这过程中，电子运动速度很小（无论是热运动速度还是定向平均速度），都无法达到在开关闭合瞬间就将电能送到负载。其中起到关键作用的是电场在导线中高速传递（比真空中光速略低）完成的能量的传递。
电场不仅可以在金属导线中传递，实际上在真空中传递更快。此外，磁场也可以存储能量和传递能量。因此借助于电极板、线圈在电源与负载之间的空间中完成能量的转换。
对， 你说这不就是电容耦合和电感耦合吗。是这样的，区别就在于这里的电容或两者电感是分成两部分，而且相对可以运动的。
这里，就会使用到在电路原理中的基本知识了。为了克服电容和电感本身特性对于电能传递的阻碍，这里的传递的电能就不能够是直流信号了。必须将电能转变成交流信号才能完成传递。具体的基本原理就需要你再复习课堂内的理论知识了。
你看这里，我将覆铜板的分成两半，形成电容的两个极板，上面施加交流电源信号，这作为电源的发射端。手中拿的是另外一块覆铜板，也是分成两个电极。将两个电极输出连接到刚才三个二极管和示波器。你会看到当手中覆铜板经过电源两个极板上方时，通过电容的电场耦合，手中的覆铜板接收到交流电能，可以使得二极管发光。
接收到的功率与两个极板重叠的面积、距离都有一定的关系。
同样，下面演示是使用线圈进行磁场耦合来传递电能。将刚才的交变电源接到下面的发射大线圈，就会在空间形成交变磁场。电能就存储在磁场中。手中的小的接受线圈在经过磁场上方时就会感应交变电压，再次将磁场中的能量转换成电能点亮发光二极管。
接收到的功率随着发射信号的强势、接收线圈在交变磁场中的位置都有关系。
基于上述方式，车模上的接受电极板或者接受线圈与发射电极或者线圈相互对齐，距离合适，就可以源源不断的通过空间的传导获得电能了。
本质上，磁场感应和电场感应在传递能量上没有太多差别。只是为了达到传递的功率，电场传递需要高电压，磁场传递需要大电流。对于车模中的负载主要是电机，它是消耗大电流的。所以采用磁场耦合的方式效率会更高一些。
什么？你说无线充电原理就这么简单？
这只是理论上简单。在工程上，还有很多问题有待解决。就拿智能车比赛来说，由于充电时间是计算在比赛时间内的，如何能够最大功率的从电源获得能量就是最先解决的问题，其它的效率、安全、通用等等都放在第二位了。
你说从电源中获得最大功率的问题，在电路原理课程中进行过讨论。只要负载的阻抗等于电源的内阻，此时负载就可以获得最大的功率了。
如果问题就这么简单的话，那么这只能算作电赛的一个题目。在智能车竞赛中，这其中的问题就比较复杂了。首先，电源的内阻不是一个简单的电阻，而是具有电抗的复阻抗；其次，在智能车停泊在充电位置的时候，电源的复阻抗还在不停的变化，不可知；最糟糕是，作为整流充电负载它本身不是一个线性负载。
这个问题既有趣，又有一定的挑战性。这是我们下一次话题的重点。
想 象
要让一个没有电的车模跑起来，除了刚才说的充电之外，还可以有其它方式。
实际上，早期有老师就建议，节能智能车比赛采用机械储能方式进行比赛。比如使用发条、橡皮筋等。后来，听说有一个同学抱怨，说这种弹力车比赛早就有了。更重要的是比赛的重点就会落在机械专业同学的头上，自动控制专业的同学就显得有些鸡肋，这与大赛定位不符。
也有同学建议，采用喷气式驱动车模运行，比如采用压缩空气罐、气球、喷气酒精灯等。后来感觉，如果不让车飞起来，就对不起这些天才的设计。
给汽车最快的充电莫过于直接进行更换电池。据说，清华三角洲智能车队的最早几个队员后来就研发了电动汽车自动更换电池系统。
今年比赛不说是车模上场前不让带有电池吗，那么在比赛开始之后，队员从场外往车模上抛掷一个块电池，落在车模上，实现自动连接运行，应该也不违反比赛规则。
没有了充电线的羁绊，车模就可以再赛道上无穷趋近的运行下去了。今天，我们就讨论的这儿吧。
对了，祖禅，我想起了一个问题：上周，软件组的宝强不是劝你去软件组了吗？后来为什么没去呢…