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,又会给我们带来什么样的变化?
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。