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隔空充电:从概念到现实

2021-02-25 07:33:59 中国科学报   作者: 秦志伟  

“如科幻电影一般,拿着手机进入客厅,就能实现隔空充电。”日前,小米科技有限公司(以下简称小米公司)董事长兼首席执行官(CEO)雷军正式推出该公司首套自主研发的隔空充电系统。而在雷军发布这一消息的两个小时前,曾于2015年收购摩托罗拉手机业务的联想集团就发布演示视频,介绍了摩托罗拉的隔空充电技术。

相比于以往的无线充电,隔空充电距离真正意义上的“无线”更近了。

但在南京大学计算机科学与技术系副教授戴海鹏看来,摩托罗拉和小米公司的隔空充电还是一个概念性产品,短时间内难以面市。

“市场对无线充电需求巨大。”华南理工大学电力学院教授张波在接受《中国科学报》采访时预测,在相关技术及配套措施发展到一定程度时,“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。”

隔空充电哪家强

“从目前公开的消息推测,这两款隔空充电技术很相似,但相关细节目前还不得而知。”戴海鹏在接受《中国科学报》采访时表示。

仅从摩托罗拉和小米公司公布的隔空充电技术宣传视频可以看出,两家技术均支持在一米范围外同时对多个设备充电以及边充边玩。而在前者最初公布的演示视频中,当异物阻挡后,隔空充电就会停止;后者的技术不仅不怕异物阻挡,甚至还可在移动中边走边充电。

“一般认为,隔空充电就是不使用有线方式连接的、充电器与接收器间隔一定距离的无线充电技术。”戴海鹏介绍,简单且便于理解的隔空充电技术划分有三种:一是电磁耦合方式,如电磁感应,代表有Qi标准,工作在数百千赫兹的低频频段,是目前的主流标准;二是磁场共振方式,代表有AirFuel标准,工作在数兆赫兹频段,主要针对电动汽车领域;三是非耦合方式,通过无线进行电力传输的无线充电,包括射频、激光、超声、红外等。

在戴海鹏看来,目前公开的隔空充电技术基本实现真正高效远距离隔空充电,多个设备同时充电,且能够克服异物遮挡影响并支持移动充电。

这些年来,无线充电技术在家用电子设备、智能家居、医疗设备、工业机器人、物联网、水下探测设备、交通和航空航天等领域的研究成果越来越多。有学者统计,近十几年,该领域发表的相关文献总体呈现增长趋势,其中2015年出现快速增长。并且,在全球范围内,我国发表的相关文献最多。例如,在2017~2019年发表的无线充电技术相关的1070篇论文中,共有15篇高被引论文,中国研究成果达8篇。

研究人员在选取2017~2019年发表的1070篇文献进一步分析时发现,基于实际应用场景研究成果总量有311篇,其中以传感器、电子设备、电动汽车领域为主。

然而,自尼古拉·特斯拉开始,无线充电技术经历了一百多年的探索,至今仍然未能达到兼顾远距离、高功率、安全的实用要求。

“目前的无线充电技术很难同时兼顾传输功率与传输距离。”同济大学一位专家告诉《中国科学报》,磁感应、磁共振充电技术发射端和接收端的能量转换效率较高,但难以实现远距离供电;射频、激光无线充电技术,由于电磁辐射,大部分能量损耗在传输过程中,或因安全、移动等限制了输出功率。

上述两款隔空充电归于戴海鹏所介绍的电磁感应类型。“但有别于传统厘米甚至毫米距离的近场电感耦合无线充电技术,它们利用远场电磁耦合实现无线充电。”

戴海鹏进一步介绍道,远场电磁耦合技术在充电器端使用天线将能量以较高频率电磁波形式发送给终端设备,小米公司利用天线接收电磁波并进行能量转化。正是由于使用天线发射和接收电磁波,此项技术得以突破传统距离的限制。

场景和功率是关键

隔空充电技术虽然有市场需求,但关键还要看应用场景和充电功率。

根据小米公司公布的视频信息,其隔空充电功率为5瓦。“相比手机动辄数十瓦的充电功率,还是略显不足。”戴海鹏表示。

在他看来,其最大的潜在应用场景可能是智能家居领域,为一些智能门锁等小功率产品进行供电,特别是一些家用小型传感器。“这些传感器目前普遍功耗较低,因此导致测量范围、灵敏度等性能受到较大制约,提供的数据不够精确。”

小米公司随后公布了一些补充信息,表示其自主研发的隔空充电技术还可以为智能手表、手环等穿戴设备隔空充电,未来音箱、台灯等小型智能家居产品也可实现无线供电,摆脱线材的束缚。

而目前市场上在售的部分品牌智能手机无线充电的功率已达到50瓦,同时有进一步向高功率发展的趋势。例如,小米公司在2020年10月曾宣布其无线充电首次跨过80瓦大关,打破全球手机无线充电纪录。

不过,2月19日,工业和信息化部发布了《无线充电(电力传输)设备无线电管理暂行规定(征求意见稿)》(以下简称征求意见稿),规定适用于移动、便携式以及电动汽车(含摩托车)的无线设备,并要求移动和便携式无线充电设备应当工作在100~148.5kHz、6765~6795kHz、13553~13567kHz 频段,且额定传输功率不超过50瓦,辐射参数应当满足《无线充电(电力传输)设备技术要求》。

如果上述文件在正式发布前保留这一要求,就意味着智能手机无线充电“功率竞赛”将于2022年1月1日终止。

除要考虑场景、功率外,隔空充电的成本也是问题,如小米公司的隔空充电技术所需要的充电桩的造价。

戴海鹏表示,考虑到隔空充电涉及毫米波、调制、发射、相控阵天线等技术,整个系统的实现需要借助一系列高成本的元器件和技术专利。“即使产品面世,价格可能也在上千元乃至上万元级别,当前阶段难以真正将产品落地进入民用市场。”

电磁辐射不容忽视

值得一提的是,摩托罗拉最初公布的视频中,当用手遮挡发射器时,隔空充电立刻停止。“这是专门为用户健康开发的安全设置。”联想中国区手机业务部总经理陈劲对此解释道,“是工程设计的人机保护常识。”

随后,摩托罗拉再次更新了自家隔空充电技术视频。从视频中可以看出,在放置多种异物进行阻挡后,手机依然可以正常充电。

类似于隔空充电这种携带能量的高频电波对人体有害,是业界共识。

早在2014年,南京大学先进网络与数据科学研究组(LANDS)就开始关注无线充电过程中的电磁辐射安全问题,也是在我国率先提出并研究电磁辐射安全问题的科研团队。戴海鹏介绍道,已有众多学者致力于研究电磁辐射对人体生理健康的影响,并证实暴露的高电磁辐射对人体健康会产生危害,有可能导致精神疾病、组织损伤和脑肿瘤。

除此之外,相关研究也表明,孕妇和儿童更易受到电磁辐射的影响,且发现儿童的头部对电磁辐射的吸收能力超过成年人的两倍、颅骨骨髓的吸收能力超过成年人十倍。

《电磁环境控制限值》是我国现行的电磁辐射环境质量标准,其对公众暴露控制限制、评价方法等均有要求。“对照世界上大部分国家都遵循的国际非电离辐射防护委员会推荐限值标准,我国执行的限值标准更为严格。”戴海鹏说。

随着电动汽车的发展和流行,我国在2020年发布了相应的标准。该标准规定了在对电动汽车进行无线充电时,电动汽车内外的电磁环境限值和测试方法。

“不同的电器,电磁波的频率可能并不相同,但其辐射总量还是会叠加。”戴海鹏表示,这也是需要关注的问题。不过,“国内外电磁辐射标准都对不同频率电磁波辐射叠加影响有相应的衡量方法和阈值限制”。

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责任编辑: 李颖

标签: 隔空充电 小米科技有限公司

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