無線充電概念圖 同濟大學供圖

手機或電腦沒電了，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……這些期待因無線充電技術(shù)的發(fā)展而逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實。最近，相關(guān)科研院校在無線能量傳輸上陸續(xù)取得了新進展,給無線充電技術(shù)的大范圍應用帶來了新的希望。

相比于傳統(tǒng)有線充電，無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，正如華南理工大學電力學院教授張波所說，無線充電技術(shù)距離擴展到更多領(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《中國科學報》。

技術(shù)突破是關(guān)鍵

19世紀末，尼古拉·特斯拉最早提出無線電能傳輸?shù)母拍睿噲D實現(xiàn)能量的遠距離無線傳輸，但由于種種客觀原因未能實現(xiàn)。現(xiàn)在，這一技術(shù)才真正取得了實質(zhì)性的突破，并開始逐漸走向市場。

也正是因為無線充電技術(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，其連續(xù)兩年（2012和2013年）被世界經(jīng)濟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1月發(fā)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，預計2027年將達到292.3億美元。

傳統(tǒng)的無線充電技術(shù)可分為近場和遠場兩類。近場無線充電技術(shù)包括磁感應、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)均無法同時實現(xiàn)安全、遠距離、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、遠距離高功率、移動等特點，可以有效解決上述問題。”同濟大學團隊向《中國科學報》介紹。2016年，同濟大學團隊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)，并從理論和實驗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4月初，《IEEE物聯(lián)網(wǎng)期刊》發(fā)表了中國科學院上海光學精密機械研究所團隊和同濟大學團隊合作的一項研究成果，首次提出一種基于全固態(tài)激光器的諧振波束實現(xiàn)無線充電的新方案，展示了2.6米和2瓦的實用性能。

不到半個月，《IEEE固態(tài)電路學報》又發(fā)表了中國科學技術(shù)大學國家示范性微電子學院教授程林團隊聯(lián)合香港科技大學教授暨永雄團隊的研究成果。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現(xiàn)整流、穩(wěn)壓和恒流—恒壓充電而實現(xiàn)了高效率和低成本。

科研人員的這些研究確實給無線電技術(shù)大范圍應用帶來了希望，但遠未達到成熟的地步。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、遠距離、移動性。

據(jù)透露，同濟大學團隊正在進行優(yōu)化設計，預期能實現(xiàn)更遠距離、更高功率的安全無線充電。業(yè)內(nèi)專家認為，諧振波束作為新理論、新技術(shù)，處于快速研發(fā)階段，未來的應用前景十分廣闊。

充電標準待統(tǒng)一

無線充電技術(shù)在取得突破的同時，充電標準也不能落后。“應結(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準是由無線充電聯(lián)盟推出的Qi標準和AirFuel聯(lián)盟推出的AirFuel標準，兩者的區(qū)別體現(xiàn)在工作原理的不同。前者基于磁感應原理，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標準逐步開始納入磁共振式無線電能傳輸技術(shù)。

無論是Qi標準還是AirFuel標準，在同濟大學研究團隊鄧浩博士看來，無線充電技術(shù)的發(fā)展需要以多樣性來適應多種不同的應用場景。“兩個標準的競爭態(tài)勢或許有利于技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，促進研發(fā)出更符合市場和消費者需求的產(chǎn)品。”鄧浩告訴《中國科學報》。

現(xiàn)有的兩個標準為產(chǎn)業(yè)前期發(fā)展與市場化提供了基本保障。“下一步應加快標準統(tǒng)一。”張波說。

他解釋道，各標準組織應該根據(jù)市場的反饋，對標準中不合理的部分進行改正，按照不同功率等級、應用場景等制定相應標準。此外，還應成立權(quán)威機構(gòu)對市場上的標準進行整合。

在相關(guān)技術(shù)和充電標準都發(fā)展到一定程度后，“可以預見，未來任何需要有線供電的產(chǎn)品，都有可能被無線充電技術(shù)全部或部分取代。”張波說。