實現(xiàn)真正的無線電力技術(shù)的承諾

我們越來越習(xí)慣于通過無線接口在耳塞充電器和電磁爐等各種應(yīng)用中提供能量，但這項技術(shù)能帶我們走多遠(yuǎn)呢？我們是否能夠在不插入電纜的情況下為汽車充電，或者在不種植塔架和挖溝的情況下將電網(wǎng)供電到偏遠(yuǎn)地區(qū)？

無線供電有兩種主要形式。第一種是通過在發(fā)射器和接收器之間形成電場或磁場來緊密耦合發(fā)射器和接收器，然后使用它將能量從一個傳輸?shù)搅硪粋€。一些緊密耦合的電力傳輸方案使用電場來耦合兩個電極。還有更多，如電磁爐、電動牙刷和無線電話充電器，在發(fā)射器中產(chǎn)生電磁場，然后使用該場在附近的接收器中感應(yīng)出電流，然后接收器可以采取行動——比如給電池充電。

第二種主要方法是輻射耦合，它涉及將一束能量（通常以高頻無線電波的形式）引導(dǎo)到高度調(diào)諧的接收器，以捕獲盡可能多的能量。

發(fā)送器和接收器之間的對齊對于有效的能量傳輸非常重要。

每種方法都有優(yōu)點和局限性，能量傳輸效率和傳輸范圍是最重要的兩個衡量指標(biāo)。對于緊密耦合的方案，發(fā)送器和接收器之間的對齊對于有效的能量傳輸非常重要。如果您使用過電磁爐，您會本能地知道這一點，因為當(dāng)平底鍋從標(biāo)記的圓環(huán)中心移開時，它會立即停止加熱。您可能還注意到最新智能手機背面嵌入了大量磁鐵，以確保無線充電圓盤與手機的接收器線圈完美對齊。由于充電時間對于新手機的實用性如此重要，

隨著電動汽車無線充電標(biāo)準(zhǔn)的制定，我們在更大范圍內(nèi)看到了類似的挑戰(zhàn)。Molex 最近對汽車公司進行的一項調(diào)查顯示，36% 的受訪者認(rèn)為，到 2030 年，無線充電將成為標(biāo)準(zhǔn)功能。在手機中，充電速率以幾十瓦為單位。然而，電動汽車 (EV) 需要 50KW 至 250KW 的充電率，才能成為內(nèi)燃機汽車長途旅行的實用替代品。在地面上的傳輸線圈和汽車下方的拾取線圈之間正確對齊將非常重要。畢竟，

電動汽車無線充電車道的概念？

SAE International已經(jīng)發(fā)布了一項標(biāo)準(zhǔn)（J2954_202010），以解決與無線車輛充電有關(guān)的許多問題。它為用于輕型插入式電動汽車的無線電力傳輸系統(tǒng)的互操作性、電磁兼容性、電動勢、性能、安全性和測試建立了標(biāo)準(zhǔn)。本規(guī)范旨在用于固定充電應(yīng)用，但未來可能會考慮動態(tài)應(yīng)用。目前的形式僅限于地上充電墊，不包括嵌入式安裝裝置。

SAE J2954標(biāo)準(zhǔn)還定義了一種校準(zhǔn)方法，該方法將幫助駕駛員將其車輛與充電板對齊，以確保有效的能量傳輸，并為汽車在未來自主完成這項工作提供基礎(chǔ)設(shè)施。但是需要良好的工程技術(shù)和大量的用戶紀(jì)律才能確保無線充電像需要的那樣簡單快捷，以取代用戶的常規(guī)行為，即像在加油站一樣簡單地將汽車插入。

汽車中的手機無線充電可能是迄今為止無線能量傳輸前景不確定的最好例證。一句話：只有當(dāng)手機放置在特定位置以確保發(fā)射器和接收器線圈之間的牢固對齊時，它才起作用。

各種形式的充電墊。從左到右：無線充電架、無線充電墊和無線充電杯座

手機用戶并沒有那么寬容，這就是為什么最新的智能手機外殼后面有這么強的磁鐵，可以快速對齊。但這種無線充電仍然是一種部分受限的體驗——你必須去充電板所在的地方。更好的用戶體驗包括能夠在指定體積內(nèi)的任何位置為設(shè)備充電，而無需與充電線圈緊密耦合和精確對準(zhǔn)。Molex Ventures資助的一家名為Ossia的初創(chuàng)公司正是這樣做的，它使用了一種類似于先進WiFi和5G系統(tǒng)中使用的MIMO天線陣列的策略，使能量能夠被發(fā)送到設(shè)備，即使它不在發(fā)射器的視線內(nèi)。

在Ossia的方法中，功率發(fā)射器從其天線發(fā)出常規(guī)信號，以使其與附近的任何兼容設(shè)備同步。然后，每個接收器發(fā)回一個信標(biāo)信號，宣布其存在和功率需求。功率發(fā)射器測量每個信標(biāo)信號的相位，并利用該相位確定其應(yīng)發(fā)送功率的方向，以實現(xiàn)最有效的能量傳輸。

這種方法適用于單天線發(fā)射器，但具有多個天線的功率發(fā)射器可以測量到達(dá)其中每個天線的信標(biāo)信號的稍有不同的相位，以更準(zhǔn)確地建立最有效的傳輸路徑。然后，功率發(fā)射器可以調(diào)整其每個天線的相位和功率輸出，以將相干能量波束引導(dǎo)到接收器。而且該路徑不必在視線內(nèi)——如果功率接收器發(fā)送的信標(biāo)信號在到達(dá)發(fā)射器的路上從墻上反彈，功率發(fā)射器將沿著同一路徑將其波束引導(dǎo)回來。

啟用Ossia Cota功率接收器的設(shè)備發(fā)送信標(biāo)信號以定位Cota功率發(fā)射器，然后該發(fā)射器通過相同路徑無線傳輸功率。

發(fā)射器還可以支持一個卷內(nèi)的多個設(shè)備。該音量內(nèi)的每個接收器測量其需要的功率，并將此信息作為請求發(fā)送給發(fā)射器。然后，發(fā)射器比較來自其服務(wù)的接收器的所有請求，并根據(jù)每個接收器的需要將無線功率脈沖分配給每個接收器。

該公司認(rèn)為，這種方法的前景是，一旦能以這種方式輸送能量，就可以重新思考關(guān)于設(shè)備在環(huán)境中如何供電的各種假設(shè)。這種模式從無線充電轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線供電。例如，天花板煙霧報警器永遠(yuǎn)不需要新電池，機器人真空吸塵器將在不需要返回笨重的塢站的情況下履行職責(zé)。

手機告訴我們，我們可以從手持設(shè)備訪問任何東西，這種設(shè)備僅受訪問帶寬和合適的電池電量水平的限制。無線能量傳輸似乎是一種避免插入手機或汽車的有用方法——但最終，它仍然被束縛在充電器的位置。如果在定義的體積內(nèi)為設(shè)備無線供電變得可行，我們可能會看到我們的機會和行為發(fā)生變化，就像我們從固定電話轉(zhuǎn)移到智能手機時一樣。

最終，這種變化將伴隨著支持技術(shù)的發(fā)展——例如幫助解決對準(zhǔn)問題的傳感器，或促進大功率充電的熱管理解決方案。這需要專業(yè)知識，以提供通往日益互聯(lián)但不受束縛的世界的途徑。

審核編輯 黃昊宇