“到處都有電”離我們有多遠：關於隔空充電、無線充電的技術展望_風聞

在劉慈欣的科幻作品《三體》中，描述過這樣一個畫面：羅輯經過長時間的冬眠甦醒後，發現所處的世界已經沒有了“充電”的概念。杯子不需要專門供電就可以加熱牛奶，汽車不需要充電也不需要加油就能夠在天上飛。他問護士電從何來，護士告訴他，“到處都有電”。

大劉筆下未來的世界，已經由於無線充電的廣泛普及而擺脱了充電線的束縛。而在今天，無線充電還處於萌芽階段。然而，2021年1月29日小米發佈的新型高功率隔空無線充電技術，成為了人類向廣域無線充電邁進的新一步。無線充電究竟如何實現？小米的無線充電又有何不同？假設未來無線充電得以普及，又會給我們的生活帶來什麼樣的變化？你或許能夠在這篇文章中找到答案。

本文介紹無線充電基本原理和小米的無線充電，並展望無線充電在汽車和醫療領域的應用前景。

撰文 | 鄭樹軒、耿霄、李惠乾、劉睿超

01 無線充電知多少

無線電能傳輸根據原理的不同，可以分為三大類：微波式、電磁感應式和磁耦合諧振式。

1.微波式

圖1 微波式無線電能傳輸示意圖丨圖源：蘭州理工大學

微波式無線電能傳輸（Microwave Wireless Power Transfer, MWPT）是一種利用微波的形式傳輸電能的方式。首先由發射裝置提高電能的頻率，然後通過發射天線發出微波。由於微波的波長較短，可以在空氣中遠距離傳播。另一端的接收天線接收微波的能量，經過整流匹配裝置轉換成可用的電能。此種方式的優點在於傳播距離遠，但是傳輸能力小，損耗大。

2.電磁感應式

圖2 電磁感應式無線充電示意圖丨圖源：蘭州理工大學

電磁感應式無線電能傳輸（Magnetic Inductive Coupling Wireless Power Transfer, MIC-WPT）利用電磁感應原理實現能量傳輸。首先，發射部分將電能轉換成高頻交流電，通入發射線圈，激發出高頻磁場。磁場可以在空氣中傳播，接收線圈在高頻磁場的作用下感應出電流，由此實現了電能的無線傳輸。此種方式是目前最成熟的無線電能傳輸技術，已經廣泛應用於低功耗電子產品的無線充電。

3.磁耦合諧振式

圖3 磁耦合諧振式無線充電示意圖丨圖源：auto.gasgoo

磁耦合諧振式無線電能傳輸（Magnetic Coupling Resonance Wireless Power Transfer, MCR-WPT）在電磁感應的基礎上利用了諧振原理，提高了電能的傳輸效率。包含電感和電容的電路具有若干個固有頻率，當外加激勵的頻率等於固有頻率時，電壓或電流將劇烈振盪。如果發射電路和接收電路的固有頻率相同，發射線圈激發的磁場就很容易在接收線圈感應出大電流，因此諧振提高了傳輸能力和效率。這種方式有望用於電動汽車、磁懸浮列車等大功率設備的無線供電，近年來備受研究人員關注。

三種無線電能傳輸技術對比如下：

02 小米的無線充電

圖4 小米遠距離無線充電示意圖丨圖源：微信公眾號“雷軍”

小米隔空無線充電技術隸屬於微波式無線充電技術，但又有所不同，因為它設計了波束定位傳輸技術，不需要微波在廣域內傳播。其原理是：手機內置信標天線，在室內廣播位置信息，並向充電樁發射充電請求信號，充電樁採用5個相位干涉天線對手機精確定位，採用波束成形技術定向集中發射毫米波段的射頻信號到手機上，而在手機上，由14根天線組成的接收陣列天線，吸收承載射頻信號的電磁波能量，然後整流電路把電路中包含了這些電磁波能量的電流轉化為充電電流，將電能存儲到電池中。目前這一隔空無線充電技術，已經實現了數米半徑內，以每台設備5瓦的功率充電。

實際上，手機只是一種移動終端。而這種隔空無線充電技術也可以應用在其他移動終端（如筆記本電腦、平板電腦、智能手錶、藍牙耳機等）的充電中。北京小米移動軟件有限公司為採用這種技術的無線充電系統所申請的發明專利（“無線充電系統及方法”）已被授權。小米發明的無線充電系統的組成包括：智能管理設備和無線充電發射器。智能管理設備用於接收移動終端的無線充電請求、向無線充電發射器下達充電指示。無線充電發射器則根據指示中的方向信息確定射頻信號的發射方向從而給移動終端定向充電。這一技術解決了之前移動終端需要通過充電底座進行無線充電從而限制終端的移動的問題。為用户在充電的同時靈活地使用移動終端帶來了便利。

03 無線充電之未來

1.汽車篇

無線充電技術如果應用在電動汽車上，人們的出行將會迎來一場新的變革。近年來隨着汽車電動化和軟件定義的趨勢給汽車設計帶來的影響，有人説電動汽車更像是“裝着四個輪子的智能手機”，同樣，不可避免地，電動汽車也面臨着“里程（電量）焦慮”問題。相較於手機，人們對於出行的需求更為迫切，但目前電動汽車電池充電速度仍不能像手機一樣快速充滿，因此，利用無線充電技術實現電動汽車邊跑邊充，對人們的出行來説有着巨大的意義。

圖5 英國電動汽車動態無線充電車道。圖源：谷歌

實際上，無線充電技術也是如今的一個研究熱點問題。與手機無線充電技術的分類相似，電動汽車無線充電也有靜態無線充電和動態無線充電之分。靜態無線充電能夠讓車輛在特定的無線充電站中，無需插線即可充電，類似於現在智能手機的無線充電器。靜態無線充電技術目前已經在多款量產車上配備，如上汽榮威Marvel X，紅旗E-HS9均支持整車無線充電。而與小米近日發佈的“隔空充電”技術更為相近的被稱作動態無線充電技術（DWPT），該技術能夠讓車輛實現邊跑邊充，近年來英國、韓國、日本等國家研究機構均在開展研究和實驗。

電動汽車一旦能在充電的同時行駛，當充電功率達到普通慢充的水平，即使充電速度不快，也可以在道路上實現自我維持，理論上可以一直運行下去，從而大大增加電動汽車續駛里程，甚至消除里程限制和里程焦慮。這樣一來，電動汽車的應用範圍將變得更加廣泛，長途車、物流車等都可以實現電動化。同時，由於充電的便捷性，車輛本身配備的電池容量要求降低，這意味着整車質量可以進一步降低，從而減小車輛的行駛阻力和能源需求，也提高了充電經濟性。此外，結合快速發展的自動駕駛技術，DWPT的應用能夠破除無人出租、無人巴士等無人駕駛運營車輛的電量限制，不必要專門花費時間進行電量補充，從而更好的提供服務。

2.醫療篇

隨着人類對疾病認識的不斷加深和技術手段的迭代更新，診療方式也在發生着日新月異的變化，植入式醫療器械、可穿戴健康設備等正在扮演着日益重要的角色。上述設備在實現長期治療、動態監測、改善患者生活質量等多方面具有傳統治療方法無法替代的優勢，越來越得到人們的關注。

新的設備層出不窮，與之並行的是這些設備對於供能方式與日俱增的革新需求。

舉例來説，自上世紀70年代起，高能鋰電池廣泛用於植入式醫療器械（如心臟起搏器等）的能源供給，其雖具有較長的使用壽命，但在電能耗盡時仍需進行再次手術，會給機體帶來更多損傷，還會增加發生併發症的風險。

此外，植入器械的電池大小與其壽命成正相關，一些情況下身體需要植入設備的部位並沒有足夠空間容納電池。如腦深部電刺激（deep brain stimulation, DBS）通過刺激目標核團以改善帕金森病患者運動功能障礙，而DBS發出脈衝刺激的裝置（包括電池）只能植入患者胸前，通過皮下導線將脈衝電流傳輸至大腦。

圖6 腦深部電刺激（DBS）用於治療帕金森病患者示意圖。圖源：Okun MS. N Engl J Med, 2012.

為解決上述問題，除改良優化電池之外，隨着充電電池技術的不斷發展成熟，不少植入式醫療設備、人造器官等開始使用充電電池供能，還有公司開發出人工心臟AbioCor使用無線充電技術，擺脱通過導線供電，並應用於臨牀實踐。但普通充電電池仍存在體積大、生物相容性差、充電時易發燙和更換費用昂貴等缺陷；同時當前的一些無線充電方式要求患者佩戴笨重的發射器線圈，數小時保持靜止才能完成充電。此外，不少患者會因充電（包括無線充電）電池給日常生活帶來的不便利，而更青睞於非充電電池。因此，創新更適用於植入式醫療機械的無線充電技術，如設計更加輕便、更符合人體構造的充電裝置，研發技術無需發射器和患者體內植入器械精確對準，實現遠距離充電等，將會有助於進一步提升使用壽命、更好地發揮植入式醫療機械的治療作用。

圖7 《自然·生物醫學工程》刊登封面文章，利用智能手錶健康監測數據預估罹患新冠肺炎的風險丨圖源：Mishra T, et al. Nat Biomed Eng, 2020.

除醫療器械之外，在智能生活時代，可穿戴設備越來越得到大眾歡迎，使用可穿戴設備進行健康監測具有實時便捷等傳統方式不能替代的優勢，配合無線充電可以進一步方便可穿戴設備的健康應用。

結 語

2021年2月20日，工信部官網發佈《無線充電（電力傳輸）設備無線電管理暫行規定（徵求意見稿）》，要求自2022年1月1日起，所有生產、進口在國內銷售、使用的移動和便攜式無線充電設備額定傳輸功率要求小於50W。可能在今天，無線充電技術還不足夠成熟，在相關行業規定還沒有完善的情況下，其安全性能還無法得到保障。但對於無線充電的探索還遠遠不會結束，小米也表示會聯合工信部共同探索無線充電的行業標準，推進其發展。只要需求仍在，無線充電的未來就依然可期，大劉筆下的世界早晚都會成為現實。

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作者簡介

鄭樹軒，電機工程與應用電子技術系2020級學生，研究方向為高功率密度無線電能傳輸裝置。

耿霄，清華大學微電子與納電子學系2019級博士生，研究方向為超導量子計算機芯片

李惠乾，車輛學院2020級直博生，研究方向為自動駕駛決策

劉睿超，醫學院2019級直博生，師從徐滬濟教授

本文經授權轉載自微信公眾號“探臻科技評論”。採編：張陳翔、李惠乾、寇方鋮、危琨；審核：張可人