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“到处都有电”离我们有多远:关于隔空充电、无线充电的技术展望

在刘慈欣的科幻作品《三体》中,描述过这样一个画面:罗辑经过长时间的冬眠苏醒后,发现所处的世界已经没有了“充电”的概念。杯子不需要专门供电就可以加热牛奶,汽车不需要充电也不需要加油就能够在天上飞。他问护士电从何来,护士告诉他,“到处都有电”。
 
大刘笔下未来的世界,已经由于无线充电的广泛普及而摆脱了充电线的束缚。而在今天,无线充电还处于萌芽阶段。然而,2021年1月29日小米发布的新型高功率隔空无线充电技术,成为了人类向广域无线充电迈进的新一步。无线充电究竟如何实现?小米的无线充电又有何不同?假设未来无线充电得以普及,又会给我们的生活带来什么样的变化?你或许能够在这篇文章中找到答案。
 
本文介绍无线充电基本原理和小米的无线充电,并展望无线充电在汽车和医疗领域的应用前景。
 
撰文 | 郑树轩、耿霄、李惠乾、刘睿超
 
01 无线充电知多少
 
无线电能传输根据原理的不同,可以分为三大类:微波式、电磁感应式和磁耦合谐振式。
 
1.微波式
图1 微波式无线电能传输示意图丨图源:兰州理工大学
 
微波式无线电能传输(Microwave Wireless Power Transfer, MWPT)是一种利用微波的形式传输电能的方式。首先由发射装置提高电能的频率,然后通过发射天线发出微波。由于微波的波长较短,可以在空气中远距离传播。另一端的接收天线接收微波的能量,经过整流匹配装置转换成可用的电能。此种方式的优点在于传播距离远,但是传输能力小,损耗大。
 
2.电磁感应式
图2 电磁感应式无线充电示意图丨图源:兰州理工大学
 
电磁感应式无线电能传输(Magnetic Inductive Coupling Wireless Power Transfer, MIC-WPT)利用电磁感应原理实现能量传输。首先,发射部分将电能转换成高频交流电,通入发射线圈,激发出高频磁场。磁场可以在空气中传播,接收线圈在高频磁场的作用下感应出电流,由此实现了电能的无线传输。此种方式是目前最成熟的无线电能传输技术,已经广泛应用于低功耗电子产品的无线充电。
 
3.磁耦合谐振式
图3 磁耦合谐振式无线充电示意图丨图源:auto.gasgoo
 
磁耦合谐振式无线电能传输(Magnetic Coupling Resonance Wireless Power Transfer, MCR-WPT)在电磁感应的基础上利用了谐振原理,提高了电能的传输效率。包含电感和电容的电路具有若干个固有频率,当外加激励的频率等于固有频率时,电压或电流将剧烈振荡。如果发射电路和接收电路的固有频率相同,发射线圈激发的磁场就很容易在接收线圈感应出大电流,因此谐振提高了传输能力和效率。这种方式有望用于电动汽车、磁悬浮列车等大功率设备的无线供电,近年来备受研究人员关注。
 
三种无线电能传输技术对比如下:
02 小米的无线充电
图4 小米远距离无线充电示意图丨图源:微信公众号“雷军”
 
小米隔空无线充电技术隶属于微波式无线充电技术,但又有所不同,因为它设计了波束定位传输技术,不需要微波在广域内传播。其原理是:手机内置信标天线,在室内广播位置信息,并向充电桩发射充电请求信号,充电桩采用5个相位干涉天线对手机精确定位,采用波束成形技术定向集中发射毫米波段的射频信号到手机上,而在手机上,由14根天线组成的接收阵列天线,吸收承载射频信号的电磁波能量,然后整流电路把电路中包含了这些电磁波能量的电流转化为充电电流,将电能存储到电池中。目前这一隔空无线充电技术,已经实现了数米半径内,以每台设备5瓦的功率充电。
 
实际上,手机只是一种移动终端。而这种隔空无线充电技术也可以应用在其他移动终端(如笔记本电脑、平板电脑、智能手表、蓝牙耳机等)的充电中。北京小米移动软件有限公司为采用这种技术的无线充电系统所申请的发明专利(“无线充电系统及方法”)已被授权。小米发明的无线充电系统的组成包括:智能管理设备和无线充电发射器。智能管理设备用于接收移动终端的无线充电请求、向无线充电发射器下达充电指示。无线充电发射器则根据指示中的方向信息确定射频信号的发射方向从而给移动终端定向充电。这一技术解决了之前移动终端需要通过充电底座进行无线充电从而限制终端的移动的问题。为用户在充电的同时灵活地使用移动终端带来了便利。
 
03 无线充电之未来
 
1.汽车篇
 
无线充电技术如果应用在电动汽车上,人们的出行将会迎来一场新的变革。近年来随着汽车电动化和软件定义的趋势给汽车设计带来的影响,有人说电动汽车更像是“装着四个轮子的智能手机”,同样,不可避免地,电动汽车也面临着“里程(电量)焦虑”问题。相较于手机,人们对于出行的需求更为迫切,但目前电动汽车电池充电速度仍不能像手机一样快速充满,因此,利用无线充电技术实现电动汽车边跑边充,对人们的出行来说有着巨大的意义。
图5 英国电动汽车动态无线充电车道。图源:谷歌
 
实际上,无线充电技术也是如今的一个研究热点问题。与手机无线充电技术的分类相似,电动汽车无线充电也有静态无线充电和动态无线充电之分。静态无线充电能够让车辆在特定的无线充电站中,无需插线即可充电,类似于现在智能手机的无线充电器。静态无线充电技术目前已经在多款量产车上配备,如上汽荣威Marvel X,红旗E-HS9均支持整车无线充电。而与小米近日发布的“隔空充电”技术更为相近的被称作动态无线充电技术(DWPT),该技术能够让车辆实现边跑边充,近年来英国、韩国、日本等国家研究机构均在开展研究和实验。
 
电动汽车一旦能在充电的同时行驶,当充电功率达到普通慢充的水平,即使充电速度不快,也可以在道路上实现自我维持,理论上可以一直运行下去,从而大大增加电动汽车续驶里程,甚至消除里程限制和里程焦虑。这样一来,电动汽车的应用范围将变得更加广泛,长途车、物流车等都可以实现电动化。同时,由于充电的便捷性,车辆本身配备的电池容量要求降低,这意味着整车质量可以进一步降低,从而减小车辆的行驶阻力和能源需求,也提高了充电经济性。此外,结合快速发展的自动驾驶技术,DWPT的应用能够破除无人出租、无人巴士等无人驾驶运营车辆的电量限制,不必要专门花费时间进行电量补充,从而更好的提供服务。
 
2.医疗篇
 
随着人类对疾病认识的不断加深和技术手段的迭代更新,诊疗方式也在发生着日新月异的变化,植入式医疗器械、可穿戴健康设备等正在扮演着日益重要的角色。上述设备在实现长期治疗、动态监测、改善患者生活质量等多方面具有传统治疗方法无法替代的优势,越来越得到人们的关注。
 
新的设备层出不穷,与之并行的是这些设备对于供能方式与日俱增的革新需求。
 
举例来说,自上世纪70年代起,高能锂电池广泛用于植入式医疗器械(如心脏起搏器等)的能源供给,其虽具有较长的使用寿命,但在电能耗尽时仍需进行再次手术,会给机体带来更多损伤,还会增加发生并发症的风险。
 
此外,植入器械的电池大小与其寿命成正相关,一些情况下身体需要植入设备的部位并没有足够空间容纳电池。如脑深部电刺激(deep brain stimulation, DBS)通过刺激目标核团以改善帕金森病患者运动功能障碍,而DBS发出脉冲刺激的装置(包括电池)只能植入患者胸前,通过皮下导线将脉冲电流传输至大脑。
图6 脑深部电刺激(DBS)用于治疗帕金森病患者示意图。图源:Okun MS. N Engl J Med, 2012.
 
为解决上述问题,除改良优化电池之外,随着充电电池技术的不断发展成熟,不少植入式医疗设备、人造器官等开始使用充电电池供能,还有公司开发出人工心脏AbioCor使用无线充电技术,摆脱通过导线供电,并应用于临床实践。但普通充电电池仍存在体积大、生物相容性差、充电时易发烫和更换费用昂贵等缺陷;同时当前的一些无线充电方式要求患者佩戴笨重的发射器线圈,数小时保持静止才能完成充电。此外,不少患者会因充电(包括无线充电)电池给日常生活带来的不便利,而更青睐于非充电电池。因此,创新更适用于植入式医疗机械的无线充电技术,如设计更加轻便、更符合人体构造的充电装置,研发技术无需发射器和患者体内植入器械精确对准,实现远距离充电等,将会有助于进一步提升使用寿命、更好地发挥植入式医疗机械的治疗作用。
图7 《自然·生物医学工程》刊登封面文章,利用智能手表健康监测数据预估罹患新冠肺炎的风险丨图源:Mishra T, et al. Nat Biomed Eng, 2020.
 
除医疗器械之外,在智能生活时代,可穿戴设备越来越得到大众欢迎,使用可穿戴设备进行健康监测具有实时便捷等传统方式不能替代的优势,配合无线充电可以进一步方便可穿戴设备的健康应用。
 
结 语
 
2021年2月20日,工信部官网发布《无线充电(电力传输)设备无线电管理暂行规定(征求意见稿)》,要求自2022年1月1日起,所有生产、进口在国内销售、使用的移动和便携式无线充电设备额定传输功率要求小于50W。可能在今天,无线充电技术还不足够成熟,在相关行业规定还没有完善的情况下,其安全性能还无法得到保障。但对于无线充电的探索还远远不会结束,小米也表示会联合工信部共同探索无线充电的行业标准,推进其发展。只要需求仍在,无线充电的未来就依然可期,大刘笔下的世界早晚都会成为现实。
 
参考资料
 
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[3] 微信公众号“雷军”. 雷军:小米自研隔空充电技术,17项技术专利![EB/OL], 2021.1.29. https://mp.weixin.qq.com/s/cF-JwDoPZ6xBMIduiW4xgw
 
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作者简介
 
郑树轩,电机工程与应用电子技术系2020级学生,研究方向为高功率密度无线电能传输装置。
 
耿霄,清华大学微电子与纳电子学系2019级博士生,研究方向为超导量子计算机芯片
 
李惠乾,车辆学院2020级直博生,研究方向为自动驾驶决策
 
刘睿超,医学院2019级直博生,师从徐沪济教授
 
本文经授权转载自微信公众号“探臻科技评论”。采编:张陈翔、李惠乾、寇方铖、危琨;审核:张可人



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