无线充电概念图 同济大学供图
手机或电脑没电了，不再焦急找充电线和插座;新能源车上路，不再为找充电桩而烦恼……这些期待因无线充电技术的发展而逐渐变为现实。最近，相关科研院校在无线能量传输上陆续取得了新进展,给无线充电技术的大范围应用带来了新的希望。
相比于传统有线充电，无线充电因不需要充电端与线路而备受欢迎，目前已在家具家电、新能源汽车、医疗等领域“小试牛刀”。
然而，正如华南理工大学电力学院教授张波所说，无线充电技术距离扩展到更多领域还有一定的距离。“关键在于安全性、传输距离、功率等级、系统成本等方面。”张波告诉《中国科学报》。
技术突破是关键
19世纪末，尼古拉·特斯拉最早提出无线电能传输的概念，试图实现能量的远距离无线传输，但由于种种客观原因未能实现。现在，这一技术才真正取得了实质性的突破，并开始逐渐走向市场。
也正是因为无线充电技术具有的灵活、便捷、安全以及可以有效利用电能资源等特点，其连续两年(2012和2013年)被世界经济论坛评为十大新兴技术之一。在2008年和2016年，“无线电能传输”和“空中取电”被《麻省理工科技评论》评为十大突破性技术之一。根据全球市场洞察公司今年1月发布的无线电能传输技术全球市场调研报告，2018年全球无线功率传输市场为52.6亿美元，预计2027年将达到292.3亿美元。
传统的无线充电技术可分为近场和远场两类。近场无线充电技术包括磁感应、磁共振，在收发端厘米级尺寸条件下，只能支持厘米级的有效传输距离;远场无线充电技术包括射频和激光，受制于传输损耗和人体安全要求，在米级距离上只能输出毫瓦级的功率。
也就是说，现有的技术均无法同时实现安全、远距离、高功率的无线能量传输。
“谐振波束充电技术具有本征安全、远距离高功率、移动等特点，可以有效解决上述问题。”同济大学团队向《中国科学报》介绍。2016年，同济大学团队首次提出谐振波束无线能量和数据传输理论及技术，并从理论和实验方面论证了谐振波束无线能量和数据传输技术的优势和潜力。
今年4月初，《IEEE物联网期刊》发表了中国科学院上海光学精密机械研究所团队和同济大学团队合作的一项研究成果，首次提出一种基于全固态激光器的谐振波束实现无线充电的新方案，展示了2.6米和2瓦的实用性能。
不到半个月，《IEEE固态电路学报》又发表了中国科学技术大学国家示范性微电子学院教授程林团队联合香港科技大学教授暨永雄团队的研究成果。研究人员提出了一种新型无线充电芯片架构，该架构通过在单个功率级中实现整流、稳压和恒流—恒压充电而实现了高效率和低成本。
科研人员的这些研究确实给无线电技术大范围应用带来了希望，但远未达到成熟的地步。核心问题在于，传统无线充电技术难以兼顾安全性、高功率、远距离、移动性。
据透露，同济大学团队正在进行优化设计，预期能实现更远距离、更高功率的安全无线充电。业内专家认为，谐振波束作为新理论、新技术，处于快速研发阶段，未来的应用前景十分广阔。
充电标准待统一
无线充电技术在取得突破的同时，充电标准也不能落后。“应结合无线充电技术的成熟度和市场需求来开展。”张波说。目前主流的无线充电标准是由无线充电联盟推出的Qi标准和AirFuel联盟推出的AirFuel标准，两者的区别体现在工作原理的不同。前者基于磁感应原理，工作频率为100~205KHz，致力于近距离无线电能传输;而后者基于磁共振原理，工作频率为6.78MHz，致力于中距离无线电能传输。
不过，张波发现，最新的Qi标准逐步开始纳入磁共振式无线电能传输技术。
无论是Qi标准还是AirFuel标准，在同济大学研究团队邓浩博士看来，无线充电技术的发展需要以多样性来适应多种不同的应用场景。“两个标准的竞争态势或许有利于技术的不断发展和进步，促进研发出更符合市场和消费者需求的产品。”邓浩告诉《中国科学报》。
现有的两个标准为产业前期发展与市场化提供了基本保障。“下一步应加快标准统一。”张波说。
他解释道，各标准组织应该根据市场的反馈，对标准中不合理的部分进行改正，按照不同功率等级、应用场景等制定相应标准。此外，还应成立权威机构对市场上的标准进行整合。
在相关技术和充电标准都发展到一定程度后，“可以预见，未来任何需要有线供电的产品，都有可能被无线充电技术全部或部分取代。”张波说。
相关论文信息：https://doi.org/10.1109/JIOT.2019.2894008
https://doi.org/10.1109/JSSC.2019.2961852
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