投稿|隔空取电成为现实,世界正在走向无线世界

投稿|隔空取电成为现实,世界正在走向无线世界
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【投稿|隔空取电成为现实,世界正在走向无线世界】图片来源@视觉中国

文|根新未来,作者|陈根
信息技术的不断跃升,让人们的生活中出现了越来越多的电子设备,随处可见的电子设备也带来了随时需要充电的难题 。在需求的推动下,能够满足随时充电的无线充电顺势而生 。
实际上,早在100多年前,人们就设想能够像现在我们连接Wi-Fi信号一样来搜索电源信号,然后实现隔空取电 。一直以来,人类在这方面的努力都停止过,现在,这种隔空取电的设想已经成为现实,并越来越多地在生活中为人们所用 。如今,世界逐渐成为了无线的世界,无线充电技术更大程度地赋予了人们想要的灵活,并且越来越成为一种便宜和可靠的技术 。
特斯拉和无线充电其实,无线充电并不是最近才有的技术 。早在1890年,塞尔维亚裔美籍物理学家兼电气工程师尼古拉·特斯拉就提出了无线输电的构想,发明了“特斯拉线圈”,开启了无线式电力传播时代的大门 。
无线充电的过程其实并不复杂,简单地说,就是电流在流过线圈的时候,会产生磁场;而靠近磁场的线圈,就会产生感应电流,从而实现了电流的无线传递 。可以说,任何使用电力的地方都有采用无线传输的潜在可能,只是受制于转化效率低和成本高而在过去难以实现 。
基于无线输电的构想,1891年,在J.P.摩根的资助下,特斯拉开始了试验无线输电技术,通过磁感应耦合原理成功用无线传输方式点亮了一只灯泡,并在纽约长岛建造了大型高压线圈——沃登克里弗塔,又称特斯拉塔 。特斯拉塔的目标就是构建全球输电系统原型,不过后来,特斯拉塔也因资金问题项目被迫停止 。
无线输电技术真正取得实质性进展是在21世纪以后,由于无线通信应用领域取得的跨越式进展,对输电充电技术提出了实际应用的迫切需求,从而也推动了无线输电技术和应用方面的重大突破 。
2007年6月,美国麻省理工学院马林·索尔贾希克为首的研究团队试制出的无线充电装置,则可以点亮相隔7英尺(约2.1米)远的60瓦电灯泡 。当时,这一研究成果在无线输电领域引发了极大关注 。
2010年以后,无线输电技术进入实质性应用阶段,在消费电子、电动汽车、智能家居、智能穿戴等应用领域取得实质性进展 。
比如,2014年4月,美国Ossia公司的Cota技术取得了新突破,可在12米外给智能手机实现全方向充电 。2014年11月,美国WiTricity公司的磁共振技术的充电距离达到2.4米,可同时为多个设备远距离充电 。2015年11月,美国Energous公司发表RF to DC整流器IC概念样本,供应小型穿戴式装置和物联网装置的电力,可支持10瓦、4.57米距离的无线充电 。2016年3月,美国华盛顿大学研发出“Passive Wi-Fi”技术,可连接到30米外的Wi-Fi设备上,这一技术也被《麻省理工科技评论》评为“2016十大科技突破” 。
2016年4月,特斯拉无线充电装置“免插充电系统”开始发售 。该装置可用于所有特斯拉品牌车型 。充电效率相当于7.2千瓦二级线圈式充电桩,每充电一小时可支持电动车续航20英里(32千米左右) 。
2017年,苹果公司实现了手机无线充电 。值得一提的是,推动无线输电技术发展最强劲的动力正是来自智能手机、iPad、MP3、数字照相机以及笔记本电脑等便携通信产品领域 。尽管苹果公司的无线充电并非隔空输电,但在无线充电的商业化之下,却也让手机充电进入了新篇章 。如今,手机的无线充电已经常见于我们的生活,手机的有线充电正在被无线充电代替 。
另外,2019年,特斯拉推出了一款专门为手机充电的车载配件产品 。该设备可嵌入Model 3中控屏幕正下方,通过USB接口接通电源后可同时为两部手机进行无线充电 。2021年1月,小米发布隔空充电技术,可以实现对数米半径内的5瓦远距离内的设备进行充电,而且可以支持多部手机同时使用 。除手机外,无线充电桩还支持智能手表、手环等设备的充电需求 。
汽车无线充电还会远吗?如果说无线充电对手机、电脑、相机等电子产品的影响,是改变了电子产品充电的灵活性,给人们带来了更多便捷,那么,无线充电对电动汽车产业,就是一场新的震动,甚至是启动电动汽车整个市场的关键——电动汽车无线充电没有外露的连接器,不仅彻底避免了漏电、跑电等安全隐患,采用无线充电,更是可以将电源和变压器隐蔽在地下,让汽车在停车处或街边特殊的充电点充电 。
当前,“里程焦虑”依然是电动汽车未能解决的痛点 。尤其是在冬季续航里程缩水,或是在需要出远门的情况下,电动汽车车主们的“里程焦虑”则会更加严重 。节假日高速服务区充电排队、凌晨四点起床抢充电桩等讨论也在互联网备受争议 。这种焦虑就像我们总怕手机没电一样,但和手机的电量焦虑不同,如果家里、单位都有充电器,包里有充电宝,附近商场餐厅还有共享充电宝,我们对手机的这种电量焦虑就会减弱甚至消失 。而对于电动汽车来说,车主的焦虑如此普遍,正是因为汽车补能并没有手机充电这么方便 。
然而,如果能在道路上实现电动汽车的无线充电,一直困扰电动汽车发展的里程焦虑或许就将迎刃而解 。其中,最典型的解决方案是在路面上安装电能发射装置,车辆底盘配备接收器,这样一来,当车辆开到相应路面的时候,就可以接收发射装置发射的电磁波,完成充电 。根据这一原理,如果将高速公路或城市主干道全部铺设这种电能发射装置,那么车辆在行进中就可以完成充电 。
众多电动车厂商也都在积极探索这项技术商用的可能 。比亚迪早在2005年12月就申请了非接触感应式充电器专利 。2012年7月,比亚迪成功卖给犹他大学一辆纯电动巴士,这款巴士装配着最新的无线充电垫 。这是一位犹他州州立大学能源动力学实验室的领导者研究出来的 。司机将巴士停在充电垫上,经历数分钟的等待就能充满电 。
研究下一代无线充电技术的两家公司WiTricity和富尔顿科技也都赢得了不少主流电动厂商合作伙伴 。其中,WiTricity公司成立于2007年,致力于将无线充电技术商业化,WiTricity公司研发了能够隔空充电的电动汽车充电器,那是个放置在车库地上的半米宽的板子,汽车开上去,就可以实现充电 。
目前,WiTricity已经与丰田签订了价值数百万的合同来开发靠电池供电的汽车充电器,并宣布与中国台湾的电子产品制造商联发科技(Mediatek)合作来开发为可移动设备充电的产品 。
另一家新创公司富尔顿科技公司的技术则表示可以穿透几厘米厚的大理石或车库地板给电动车无线充电 。这些技术都比现在已有的感应充电更实用——现在已有的技术能够让你在自家车库为汽车无线充电,但你必须刚好停在特定的位置上,与充电线圈校准 。
富尔顿已经被美国芯片设计公司高通收购 。从2012年年初开始,高通联合法国雷诺及英国德尔塔汽车公司在伦敦东区科技城进行了街头无线充电的商用测试 。高通设想在购物中心的停车场和公共道路停车点建设无线充电设施,采用半动态充电,比如在交通警示灯处、十字路口、出租车停靠点和公交车站都可以设立充电点 。每次充电没必要充满,保持40%~80%的电量即可 。
德国、日本等国也十分积极 。在德国慕尼黑,很早就开始进行家用无线充电的测试 。日本丰桥技术科学大学则在研究能够透过20厘米厚的混凝土砖块将电力传输给汽车的道路充电装置 。在横滨举办的贸易展上,日本丰桥技术科学大学展示了它们的道路无线充电技术,通过这种技术,车辆可以边行走边充电 。研究人员给这种道路充电装置取名“永远”(EVER),是“电动汽车在带电道路上”的英文首字母缩写 。他们认为,“道路充电”的成本低于建设专门的电动汽车充电站 。
一个无线的世界当前,无线充电正在快速发展,并展现出两方面的趋势 。
一方面,是无线充电成本的降低 。如今,无线充电模组约占智能手机整机价格的比例接近15%,各环节成本有望快速下降:5瓦的无线充电Qi标准的单模装置整体成本在2.2美元左右,单个线圈的成本价格已经低于0.8美元 。
虽然电动汽车无线充电模块成本依然高昂——无线充电停车点前期建设成本是有线电桩的4~5倍;电动汽车加装无线充电模块的费用在1.5万元以上,而商用车的费用高达10万元,但相比于有线充电桩,无线充电停车点具有后期维护成本低、安全、空间利用率高的优点 。
另一方面,无线充电的转化效率正在快速提升 。现阶段,有线充电的效率约为93%,而无线充电设备的效率则在75%~90%;充电距离、角度、环境温度都会影响转换效率 。2014年,高通推出了基础电磁共振的无线充电技术,实现了90%的充电效率;以色列Powermat公司称其非接触式充电系统的电力传输效率可达93% 。日本伊东健治教授通过集成的方式,把微波转换为直流电流的天线与整流电路,将微波无线供电技术的转换效率提升到了93% 。
在无线充电成本降低和转化效率提升之下,无线充电也展现了其巨大的市场潜力 。根据调研机构Knowledge Sourcing Intelligence的一份报告显示,全球无线输电市场预计将以年均15.56%的速度增长,从2019年的92.46亿美元增长到2025年的220.17亿美元 。
可以预见,从电子产品的无线充电到电动汽车的无线充电,数字社会下,无线充电还将在更多方面影响我们的生活 。
比如,在智能家居方面,试想一下,如果家中遍布着蜘蛛网一样的电线,不仅影响美观,而且暗藏安全隐患 。在这样的背景下,无线充电将是解决智能家居的一个关键要素,“无尾”设备将成为家用智能设备的主流 。目前,美国Powercast公司已经开发出能够把无线电波转变为直流电的接收设备,能够在近1米距离内给多个电子设备供电 。
另外,医疗器械供电是无线输电的又一重要领域,比如,对植入人体的医疗器械如心脏起搏器充电,对下肢麻痹的人进行肌肉刺激,以及神经系统的医疗刺激、镇痛,等等 。医疗器械无线充电主要通过ICPT(Inductively coupled Power Transfer,感应电能传输技术)和RFPT(Radio Frequency Power Transmission,射频功率传输技术)方式 。首先在人体外设置一个线圈,其次在人体内再植入一个对应的小微线圈,两者之间形成感应耦合效应,从而实现电力传输 。
总的来看,现在,无线输电技术已经在某些领域投入了实际应用,并且,在未来,在无线充电技术的发展下,人们终将迎来一个无线的世界:小到电动牙刷、剃须刀、心脏起搏器和智能卡,大到公共汽车和火车之类的电动交通工具,甚至包括磁悬浮列车都将通过无线充电实现供电 。无线充电世界的到来,赋予了人们想要的灵活,也为数字世界的发展开辟了新的篇章 。