無線充電概念圖同濟(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helliphellip這些期待因無線充電技術(shù)的發(fā)展而逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。最近，相關(guān)科研院校在無線能量傳輸上陸續(xù)取得了新進(jìn)展,給無線充電技術(shù)的大范圍應(yīng)用帶來了新的希望。

相比于傳統(tǒng)有線充電，無線充電因不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，無線充電技術(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、系統(tǒng)成本等方面。張波告訴《我國科學(xué)報》。

技術(shù)突破是關(guān)鍵

19世紀(jì)末，尼古拉middot特斯拉最早提出無線電能傳輸?shù)母拍?，試圖實(shí)現(xiàn)能量的遠(yuǎn)距離無線傳輸，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。

也正是因?yàn)闊o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)，其持續(xù)兩年(2012和2013年)被世界經(jīng)濟(jì)論壇評為十大新興技術(shù)之一。在2008年和2016年，無線電能傳輸和空中取電被《麻省理工科技評論》評為十大突破性技術(shù)之一。根據(jù)全球市場洞察公司今年一月公布的無線電能傳輸技術(shù)全球市場調(diào)研報告，2018年全球無線功率傳輸市場為52.6億美元，預(yù)計(jì)2027年將達(dá)到292.3億美元。

傳統(tǒng)的無線充電技術(shù)可分為近場和遠(yuǎn)場兩類。近場無線充電技術(shù)包括磁感應(yīng)、磁共振，在收發(fā)端厘米級尺寸條件下，只能支持厘米級的有效傳輸距離遠(yuǎn)場無線充電技術(shù)包括射頻和激光，受制于傳輸損耗和人體安全要求，在米級距離上只能輸出毫瓦級的功率。

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

諧振波束充電技術(shù)具有本征安全、遠(yuǎn)距離高功率、移動等特點(diǎn)，可以有效解決上述問題。同濟(jì)大學(xué)團(tuán)隊(duì)向《我國科學(xué)報》介紹。2016年，同濟(jì)大學(xué)團(tuán)隊(duì)首次提出諧振波束無線能量和數(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線能量和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的優(yōu)勢和潛力。

今年四月初，《IEEE物聯(lián)網(wǎng)期刊》發(fā)表了我國科學(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)無線充電的新方法，展示了2.6米和2瓦的實(shí)用性能。

不到半個月，《IEEE固態(tài)電路學(xué)報》又發(fā)表了我國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家示范性微電子學(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線充電芯片架構(gòu)，該架構(gòu)通過在單個功率級中實(shí)現(xiàn)整流、穩(wěn)壓和恒流mdash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)給無線電技術(shù)大范圍應(yīng)用帶來了希望，但遠(yuǎn)未達(dá)到成熟的地步。核心問題在于，傳統(tǒng)無線充電技術(shù)難以兼顧安全性、高功率、遠(yuǎn)距離、移動性。

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，未來的應(yīng)用前景十分廣闊。

充電標(biāo)準(zhǔn)待統(tǒng)一

無線充電技術(shù)在取得突破的同時，充電標(biāo)準(zhǔn)也不能落后。應(yīng)結(jié)合無線充電技術(shù)的成熟度和市場需求來開展。張波說。目前主流的無線充電標(biāo)準(zhǔn)是由無線充電聯(lián)盟推出的Qi標(biāo)準(zhǔn)和AirFuel聯(lián)盟推出的AirFuel標(biāo)準(zhǔn)，兩者的差別體現(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，致力于中距離無線電能傳輸。

不過，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線電能傳輸技術(shù)。

無論是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，無線充電技術(shù)的發(fā)展要以多樣性來適應(yīng)多種不同的應(yīng)用場景。兩個標(biāo)準(zhǔn)的競爭態(tài)勢或許有利于技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，促進(jìn)研發(fā)出更符合市場和消費(fèi)者需求的產(chǎn)品。鄧浩告訴《我國科學(xué)報》。

現(xiàn)有的兩個標(biāo)準(zhǔn)為產(chǎn)業(yè)前期發(fā)展與市場化供應(yīng)了基本保障。下一步應(yīng)加快標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。張波說。

他解釋道，各標(biāo)準(zhǔn)組織應(yīng)該根據(jù)市場的反饋，對標(biāo)準(zhǔn)中不合理的部分進(jìn)行改正，按照不同功率等級、應(yīng)用場景等制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。此外，還應(yīng)成立權(quán)威機(jī)構(gòu)對市場上的標(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，未來任何要有線供電的產(chǎn)品，都有可能被無線充電技術(shù)全部或部分取代。張波說。

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

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