实现真正无线充电技术的承诺

我们越来越习惯于在耳塞式充电器和电磁炉等各种应用中通过无线接口提供能量，但这项技术能带我们走多远？我们能不能不插线就可以给汽车充电，或者不种塔不挖沟就可以把电网供电到偏远的地方？

无线电力传输有两种主要形式。第一个涉及通过在发射器和接收器之间形成电场或磁场来将它们紧密耦合，然后使用它来将能量从一个传递到另一个。一些紧密耦合的功率传输方案使用电场来耦合两个电极。还有更多，例如感应炉灶、电动牙刷和无线电话充电器，会在发射器中产生电磁场，然后使用该场在附近的接收器中感应出电流，然后接收器可以采取行动——例如为电池充电。

第二种主要方法是辐射耦合，它涉及将一束能量（通常以高频无线电波的形式）引导到经过高度调谐以捕获尽可能多的能量的接收器。

发送器和接收器之间的对齐对于有效的能量传输非常重要。 （图片：Molex Ventures）

每种方法都有优点和局限性，能量传输效率和传输范围是两个最重要的衡量指标。对于紧密耦合的方案，发送方和接收方之间的对齐对于有效的能量传输非常重要。如果您使用过电磁炉，您会本能地知道这一点，因为当锅从其环的标记中心移开时，它会立即停止加热。您可能还注意到，在最新款智能手机的背面嵌入了大量磁铁，以确保无线充电盘与手机的接收器线圈完美对齐。由于充电时间对于感知新手机的效用至关重要，因此确保无线充电尽可能有效是非常值得的工程工作和单位制造成本。

随着电动汽车无线充电标准的制定，我们在更大范围内看到了类似的挑战。 Molex 最近对汽车公司进行的一项调查显示，36% 的受访者认为，到 2030 年，无线充电将成为标准功能。在手机中，充电率以几十瓦为单位。然而，电动汽车 (EV) 需要 50KW 到 250KW 的充电率才能成为内燃机汽车长途旅行的实用替代品。使地面上的传输线圈和汽车下方的拾音线圈之间正确对齐将非常重要。毕竟，由于对准不良而导致的百分之几的传输损耗可能意味着数百瓦的功率会在充电器的传输线圈和车辆接收器之间的接口中以无用的热量形式消散。

电动汽车无线充电车道的概念？ （图片：Molex Ventures）

SAE International 已经发布了一个标准 (J2954_202010) 来解决许多围绕无线车辆充电的问题。它建立了用于轻型插电式电动汽车的无线电力传输系统的互操作性、电磁兼容性、EMF、性能、安全性和测试的标准。该规范旨在用于固定充电应用，但未来可能会考虑动态应用。目前的形式仅限于地上充电板，不包括嵌入式安装。

SAE J2954 标准还定义了一种对齐方法，该方法将帮助驾驶员将车辆与充电板对齐，以确保高效的能量传输，并为汽车提供基础设施，以便在未来自动执行此操作。但是，这需要良好的工程设计和大量的用户纪律，以确保无线充电尽可能简单快捷，以取代简单地将汽车插上电源的常规用户行为，就像在加油泵一样。

迄今为止，汽车中手机的无线充电可能是当今无线电源传输前景不确定的最佳例证。底线：它仅在将手机放置在特定位置时才起作用，以确保发射器和接收器线圈之间的强对齐。

各种形式的充电板。从左到右：无线充电架、无线充电板和无线充电杯架（图片来源：Molex Ventures）

手机用户并没有那么宽容，这就是为什么最新的智能手机在其外壳后面有如此强大的磁铁，可以快速对齐。但这种无线充电仍然是一种部分受限的体验——你必须去充电板所在的地方。更好的用户体验包括能够在指定体积的任何地方为设备充电，而无需与充电线圈紧密耦合和精确对齐。 Molex Ventures 资助的一家名为 Ossia 的初创公司正是这样做的，它使用的策略有点类似于高级 WiFi 和 5G 系统中使用的 MIMO 天线阵列，即使设备不在发射器的视线范围内，也能将能量传送到设备。

在 Ossia 的方法中，电力发射器从其天线发出常规信号，使其与附近的任何兼容设备同步。然后每个接收器发回一个信标信号，宣布它的存在和它的电力需求。功率发射器测量每个信标信号的相位，并使用它来确定应该发送功率的方向，以实现最有效的能量传输。

这种方法适用于单天线发射器，但具有多个天线的功率发射器可以测量到达每个天线的信标信号的略微不同的相位，从而更准确地建立最有效的传输路径。然后，功率发射器可以调整其每个天线的相位和功率输出，以将相干能量束引导到接收器。并且这条路径不必在视线范围内——如果电力接收器发送的信标信号在通往发射器的路上从墙上反弹，电力发射器会将其波束沿同一路径返回。

启用了 Ossia Cota 电力接收器的设备会发送信标信号来定位 Cota 电力发射器，然后该发射器通过相同的路径无线传输电力。 （图片：Molex Ventures）

发射器还可以支持一个卷内的多个设备。该体积内的每个接收器都会测量它需要多少功率，并将此信息作为请求发送给发射器。然后，发射器比较来自它所服务的接收器的所有请求，并根据每个接收器的需要为每个接收器分配无线电能脉冲。

该公司认为，这种方法的前景是，一旦可以通过这种方式提供能量，就可以重新考虑有关设备如何在环境中供电的各种假设。范式从无线充电转变为无线供电。例如，天花板烟雾报警器永远不需要新电池，机器人真空吸尘器无需返回庞大的扩展坞即可完成任务。

手机告诉我们，我们可以从手持设备访问任何东西，这种设施仅受带宽和适当的电池电量水平的限制。无线能量传输似乎是一种避免插入手机或汽车的有用方法——但最终，它仍然受限于充电器的位置。如果在定义的体积内以无线方式为设备供电变得可行，我们可能会看到我们的机会和行为发生变化，就像我们从固定电话转向智能手机时一样。

最终，这种变化将伴随着支持技术的发展——例如帮助解决对准问题的传感器，或促进大功率充电的热管理解决方案。这需要专业知识，为连接日益紧密但不受束缚的世界提供途径。

>> 本文最初发表于我们的姊妹网站 EE Times Europe。

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