2021年01月25日 | 可定义方向的无线充电技术诞生

从TWS到电磁炉，我们越来越习惯于通过无线接口传递能量，但是这项技术能走多远？我们能否在不插电的情况下为汽车充电，或者在不搭铁塔的情况下将电网传输到偏远地区。

无线供电的主要形式有两种。第一种涉及通过在发射器和接收器之间形成电场或磁场来使其紧密耦合，然后使用它将能量从一边传递到另一边。一些紧密耦合的功率传输方案使用电场耦合两个电极。电磁炉，电动牙刷和无线电话充电器等其他产品会在发射器中产生电磁场，然后利用该场在附近的接收器中感应出电流，从而为电池充电。

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

发送器和接收器之间的对准对于能量传输效率非常重要。图片：Molex Ventures

每种方法都有其优点和局限性，能量传输的效率和传输范围是最重要的两个优点。对于紧耦合方案，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，因为锅从其标记的圆环中心移开后会立即停止加热。您可能还注意到，最新智能手机的背面嵌入了大量磁铁，以确保无线充电座与手机的接收线圈完美对齐。充电时间对于手机至关重要，因此确保无线充电尽可能高效非常值得努力。

我们正在努力制定电动汽车无线充电标准，从而在更大范围内看到类似的挑战。Molex最近对汽车公司进行的一项调查显示，有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，充电速率以数十瓦为单位。但是，电动汽车（EV）需要50KW至250KW的充电率，才能成为长途旅行中内燃机汽车的可替代品。确保地面上的传输线圈与汽车下方的拾波线圈之间的对准非常重要。毕竟，由于对准不良而造成的传输损失只有百分之几，这可能意味着数百瓦的功率由于充电器的传输线圈与车辆的接收器之间的接口中的无用热量而被耗散掉。

电动汽车无线充电通道概念 图片：Molex Ventures

SAE International已经发布了一个标准（J2954_202010），以解决围绕无线车辆充电的许多问题。它建立了用于轻型插入式EV的无线电力传输系统的互操作性，电磁兼容性，EMF，性能，安全性和测试标准。该规范旨在用于固定式充电应用，尽管将来可能会考虑动态应用。按照目前的形式，它仅限于地上的充电板，并且不包括嵌入式安装的设备。

SAE J2954标准还定义了一种对齐方法，该方法将帮助驾驶员将他们的车辆与充电板对齐，以确保有效的能量传输，并为汽车提供基础设施，以在将来自动执行此操作。但是，要确保无线充电既简单又快速，就需要取代加油枪这种简单操作，这需要良好的工程设计和大量的用户纪律。

迄今为止，对于汽车中的手机进行无线充电可能是迄今为止无线功率传输前景不确定的最好例证。仅当电话放在特定位置时才能使用，以确保发射器和接收器线圈之间牢固对准。

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

手机用户并不是那么宽容，这就是为什么最新的智能手机的外壳后部有如此强的磁铁，可以使对准迅速。但是，这种无线充电仍然是部分束缚的体验–您必须去充电垫所在的位置。更好的用户体验将涉及能够在指定体积的任何位置为设备充电，而无需紧密耦合并精确对准充电线圈。由Molex Ventures投资的名为Ossia的初创公司正是通过使用类似于高级WiFi和5G系统中使用的MIMO天线阵列的策略来做到这一点的，即使设备不在发射器的视线内，也可以将能量发射到设备上。

在Ossia的方法中，电力发射器会从天线发射出常规信号，以使其与附近的任何兼容设备同步。然后，每个接收器都发回一个信标信号，以宣布其存在和所需功率需求。功率发送器测量每个信标信号的相位，并使用该信号确定应发送功率的方向，以实现最有效的能量传输。

这种方法适用于单天线发送器，但是具有多个天线的功率发送器可以测量到达每个信标的不同相位，以更准确地建立最有效的传输路径。然后，功率发送器可以调整其每个天线的相位和功率输出，以将相干的能量束引向接收器。而且这条路径不必在视线范围内–如果受电设备发送的信标在通往发射机的途中从墙壁上弹开，则该发射机也将其光束沿同一路径引回。

启用Ossia Cota电力接收器的设备发送信标信号以定位电力发射器，然后通过同一路径无线供电。图片：Molex Ventures

变送器还可以支持多个设备。该容积内的每个接收器都会测量其所需的功率，并将此信息作为请求发送给发射器。然后，发送器比较来自它正在服务的接收器的所有请求，并根据每个接收器的需求向每个接收器分配无线电力脉冲。

该公司认为，这种方法的前景是，一旦能以这种方式传递能量，就可以重新考虑有关设备在环境中如何供电的各种假设。范式将从无线充电变为无线供电。例如，天花板烟雾警报器将永远不需要新电池，而机器人真空吸尘器将无需返回笨重的扩展坞即可完成工作。

手机告诉我们，我们可以从手持设备访问任何东西，而该设备仅受带宽访问和适当级别的电池充电的限制。无线能量传输似乎是避免插入电话或汽车的一种有用方法，但最终，它仍然被束缚在充电器的位置。如果可以在限定范围内的任何地方以无线方式为设备供电，那么我们可能会看到我们的机会和行为发生变化，就像从固定电话转移到智能手机时一样。

最终，这种变化将伴随着支持技术的发展而来，例如支持对准问题的传感器，或有助于大功率充电的热管理解决方案。这就需要专业知识，为通向日益连通但不受束缚的世界提供途径。