無(wú)線充電概念圖 同濟(jì)大學(xué)供圖

手機(jī)或電腦沒電了，不再焦急找充電線和插座;新能源車上路，不再為找充電樁而煩惱……這些期待因無(wú)線充電技術(shù)的發(fā)展而逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。最近，相關(guān)科研院校在無(wú)線能量傳輸上陸續(xù)取得了新進(jìn)展,給無(wú)線充電技術(shù)的大范圍應(yīng)用帶來(lái)了新的希望。

相比于傳統(tǒng)有線充電，無(wú)線充電因不需要充電端與線路而備受歡迎，目前已在家具家電、新能源汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域“小試牛刀”。

然而，正如華南理工大學(xué)電力學(xué)院教授張波所說(shuō)，無(wú)線充電技術(shù)距離擴(kuò)展到更多領(lǐng)域還有一定的距離。“關(guān)鍵在于安全性、傳輸距離、功率等級(jí)、系統(tǒng)成本等方面。”張波告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

技術(shù)突破是關(guān)鍵

19世紀(jì)末，尼古拉·特斯拉最早提出無(wú)線電能傳輸?shù)母拍?，試圖實(shí)現(xiàn)能量的遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸，但由于種種客觀原因未能實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在，這一技術(shù)才真正取得了實(shí)質(zhì)性的突破，并開始逐漸走向市場(chǎng)。

也正是因?yàn)闊o(wú)線充電技術(shù)具有的靈活、便捷、安全以及可以有效利用電能資源等特點(diǎn)，其連續(xù)兩年(2012和2013年)被世界經(jīng)濟(jì)論壇評(píng)為十大新興技術(shù)之一。在2008年和2016年，“無(wú)線電能傳輸”和“空中取電”被《麻省理工科技評(píng)論》評(píng)為十大突破性技術(shù)之一。根據(jù)全球市場(chǎng)洞察公司今年1月發(fā)布的無(wú)線電能傳輸技術(shù)全球市場(chǎng)調(diào)研報(bào)告，2018年全球無(wú)線功率傳輸市場(chǎng)為52.6億美元，預(yù)計(jì)2027年將達(dá)到292.3億美元。

傳統(tǒng)的無(wú)線充電技術(shù)可分為近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)兩類。近場(chǎng)無(wú)線充電技術(shù)包括磁感應(yīng)、磁共振，在收發(fā)端厘米級(jí)尺寸條件下，只能支持厘米級(jí)的有效傳輸距離;遠(yuǎn)場(chǎng)無(wú)線充電技術(shù)包括射頻和激光，受制于傳輸損耗和人體安全要求，在米級(jí)距離上只能輸出毫瓦級(jí)的功率。

也就是說(shuō)，現(xiàn)有的技術(shù)均無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)安全、遠(yuǎn)距離、高功率的無(wú)線能量傳輸。

“諧振波束充電技術(shù)具有本征安全、遠(yuǎn)距離高功率、移動(dòng)等特點(diǎn)，可以有效解決上述問(wèn)題。”同濟(jì)大學(xué)團(tuán)隊(duì)向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》介紹。2016年，同濟(jì)大學(xué)團(tuán)隊(duì)首次提出諧振波束無(wú)線能量和數(shù)據(jù)傳輸理論及技術(shù)，并從理論和實(shí)驗(yàn)方面論證了諧振波束無(wú)線能量和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和潛力。

今年4月初，《IEEE物聯(lián)網(wǎng)期刊》發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所團(tuán)隊(duì)和同濟(jì)大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作的一項(xiàng)研究成果，首次提出一種基于全固態(tài)激光器的諧振波束實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電的新方案，展示了2.6米和2瓦的實(shí)用性能。

不到半個(gè)月，《IEEE固態(tài)電路學(xué)報(bào)》又發(fā)表了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)國(guó)家示范性微電子學(xué)院教授程林團(tuán)隊(duì)聯(lián)合香港科技大學(xué)教授暨永雄團(tuán)隊(duì)的研究成果。研究人員提出了一種新型無(wú)線充電芯片架構(gòu)，該架構(gòu)通過(guò)在單個(gè)功率級(jí)中實(shí)現(xiàn)整流、穩(wěn)壓和恒流—恒壓充電而實(shí)現(xiàn)了高效率和低成本。

科研人員的這些研究確實(shí)給無(wú)線電技術(shù)大范圍應(yīng)用帶來(lái)了希望，但遠(yuǎn)未達(dá)到成熟的地步。核心問(wèn)題在于，傳統(tǒng)無(wú)線充電技術(shù)難以兼顧安全性、高功率、遠(yuǎn)距離、移動(dòng)性。

據(jù)透露，同濟(jì)大學(xué)團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，預(yù)期能實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離、更高功率的安全無(wú)線充電。業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，諧振波束作為新理論、新技術(shù)，處于快速研發(fā)階段，未來(lái)的應(yīng)用前景十分廣闊。

充電標(biāo)準(zhǔn)待統(tǒng)一

無(wú)線充電技術(shù)在取得突破的同時(shí)，充電標(biāo)準(zhǔn)也不能落后。“應(yīng)結(jié)合無(wú)線充電技術(shù)的成熟度和市場(chǎng)需求來(lái)開展。”張波說(shuō)。目前主流的無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)是由無(wú)線充電聯(lián)盟推出的Qi標(biāo)準(zhǔn)和AirFuel聯(lián)盟推出的AirFuel標(biāo)準(zhǔn)，兩者的區(qū)別體現(xiàn)在工作原理的不同。前者基于磁感應(yīng)原理，工作頻率為100~205KHz，致力于近距離無(wú)線電能傳輸;而后者基于磁共振原理，工作頻率為6.78MHz，致力于中距離無(wú)線電能傳輸。

不過(guò)，張波發(fā)現(xiàn)，最新的Qi標(biāo)準(zhǔn)逐步開始納入磁共振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)。

無(wú)論是Qi標(biāo)準(zhǔn)還是AirFuel標(biāo)準(zhǔn)，在同濟(jì)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)鄧浩博士看來(lái)，無(wú)線充電技術(shù)的發(fā)展需要以多樣性來(lái)適應(yīng)多種不同的應(yīng)用場(chǎng)景。“兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)或許有利于技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，促進(jìn)研發(fā)出更符合市場(chǎng)和消費(fèi)者需求的產(chǎn)品。”鄧浩告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

現(xiàn)有的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)為產(chǎn)業(yè)前期發(fā)展與市場(chǎng)化提供了基本保障。“下一步應(yīng)加快標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。”張波說(shuō)。

他解釋道，各標(biāo)準(zhǔn)組織應(yīng)該根據(jù)市場(chǎng)的反饋，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中不合理的部分進(jìn)行改正，按照不同功率等級(jí)、應(yīng)用場(chǎng)景等制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。此外，還應(yīng)成立權(quán)威機(jī)構(gòu)對(duì)市場(chǎng)上的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整合。

在相關(guān)技術(shù)和充電標(biāo)準(zhǔn)都發(fā)展到一定程度后，“可以預(yù)見，未來(lái)任何需要有線供電的產(chǎn)品，都有可能被無(wú)線充電技術(shù)全部或部分取代。”張波說(shuō)。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1109/JIOT.2019.2894008

https://doi.org/10.1109/JSSC.2019.2961852

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