无线电能：电磁传输 - 全球概览

无线电能传输 (WPT)，也称为无线能量传输 (WET) 或无线充电，是指在没有物理连接的情况下传输电能。这项技术依赖于电磁场，在发射器和接收器之间传输能量。虽然这个概念已经存在了一个多世纪，但技术的进步正在使WPT成为一个实用且在各种行业中日益普及的解决方案。

了解电磁传输

电磁传输包括几种方法，大致分为两种类型：近场和远场技术。

近场功率传输

近场功率传输，也称为非辐射传输，在与电磁场波长相当或更短的距离内运行。主要技术包括：

• 感应耦合：这是最常见的方法，使用两个线圈——发射器和接收器——来产生磁场。当接收线圈放置在发射线圈产生的磁场内时，会在接收线圈中感应出电流。将电动牙刷充电底座或智能手机无线充电板视为日常例子。感应耦合的效率随着距离的增加而迅速下降。
• 谐振感应耦合：这种方法通过将发射器和接收器线圈调谐到相同的频率，提高了感应耦合的效率和范围。这会产生更强的磁场，并允许在稍大的距离内更有效地传输能量。这用于电动汽车的一些无线充电系统。一个真实的例子包括公司正在研究和实施用于城市环境中公共汽车的谐振感应充电，使它们能够在公交车站充电。

远场功率传输

远场功率传输，也称为辐射传输，在比电磁场波长远得多的距离内运行。主要技术包括：

• 微波功率传输：这种方法使用微波在更长的距离内传输能量。它需要一个发射器将电能转换为微波，以及一个接收器 (整流天线) 将微波转换回电能。微波功率传输正在探索用于为遥感器供电，甚至将能量从太空太阳能电站传输到地球等应用。这方面的研究的一个例子是各个航天机构和私营公司正在进行的关于太空太阳能的研究。
• 射频 (RF) 能量收集：这项技术收集并将环境无线电波（例如，来自Wi-Fi路由器、蜂窝塔和广播信号）转换为可用的电能。收集到的能量通常很小，但足以驱动传感器或可穿戴电子设备等低功耗设备。例如，智能建筑中的传感器由环境射频能量供电。
• 激光功率传输：这种方法使用激光器进行无线供电。激光束被引导到光伏电池，将光转换成电能。激光功率传输用于为无人机或机器人远程供电等特定应用。

关键技术和组件

实施无线电能传输系统需要几种关键技术和组件：

• 发射线圈：这些线圈产生能量传输所需的电磁场。它们经过精心设计，以优化效率并最大限度地减少损耗。不同的线圈设计用于感应和谐振感应耦合。
• 接收线圈：这些线圈捕获电磁能并将其转换回电能。它们的设计对于高效的能量传输也至关重要。
• 电力电子设备：电力电子电路用于控制功率流、调节电压和电流，并确保高效的能量转换。这些电路包括逆变器、整流器和DC-DC转换器。
• 控制系统：控制系统监控能量传输过程，调整运行参数，并确保安全可靠的运行。它们可能包括传感器、微控制器和通信接口。
• 屏蔽材料：屏蔽材料用于包容电磁场并防止与其他电子设备发生干扰。它们还有助于减少电磁辐射并确保符合安全法规。

无线电能传输的应用

无线电能传输正在广泛的行业和领域中找到应用：

消费电子产品

这是WPT最明显的应用之一。智能手机、智能手表、无线耳机和其他消费电子产品越来越多地采用无线充电功能。Qi标准是移动设备无线充电最广泛使用的标准。例如，宜家将Qi充电器集成到家具中。

电动汽车 (EV)

电动汽车的无线充电作为传统插入式充电的便捷高效替代方案正在受到关注。无线充电板可以嵌入道路或停车位中，允许电动汽车在停放时甚至在行驶时自动充电（动态充电）。像WiTricity这样的公司正在为电动汽车开发和许可无线充电技术。在世界各地的一些城市中，为电动公交车进行无线充电的试点计划正在进行中。

医疗设备

无线电能传输正在为医疗设备（尤其是植入式设备，如起搏器、胰岛素泵和神经植入物）带来新的可能性。无线充电消除了对电池的需求，降低了与更换电池相关的感染和并发症的风险。公司正在为人工耳蜗和其他医疗设备开发无线充电系统。

工业应用

WPT被用于工业环境中，为传感器、机器人和其他设备在恶劣或难以接近的环境中供电。无线电能传输可以消除对电线和电缆的需求，从而提高安全性、可靠性和灵活性。例如，在制造工厂为传感器供电以及在仓库中为机器人充电。公司正在部署无线电源解决方案，以实现AGV（自动引导车辆）的充电自动化。

物联网 (IoT)

无线电能传输正在实现低功耗物联网设备在偏远地区或无法提供有线电源的地方的部署。射频能量收集可用于为传感器、执行器和其他物联网设备供电，从而实现智能城市、农业和环境监测等领域的广泛应用。例如，监测偏远农业田地土壤状况的无线传感器可以通过射频能量收集供电。

航空航天和国防

WPT正在探索用于航空航天和国防的应用，例如为无人机、机器人和军事行动中的传感器供电。激光功率传输可用于从远程基站为无人机供电，从而延长其飞行时间和范围。正在对使用微波功率传输为轨道卫星供电进行研究。

无线电能传输的优势

与传统的有线电源系统相比，无线电能传输具有几个优点：

• 便利性：无线充电消除了对电缆和连接器的需求，使充电更加方便和用户友好。
• 安全性：无线电能传输可以通过消除裸露的电线和连接器来提高安全性，从而降低触电和火灾的风险。
• 可靠性：无线电能传输可以通过消除对物理连接的需求来提高可靠性，而物理连接容易磨损。
• 灵活性：无线电能传输可以在设备放置和使用方面提供更大的灵活性，允许设备在远程或难以接近的位置充电。
• 成本节约：无线电能传输可以通过消除对电缆、连接器和电池更换的需求来降低成本。
• 美学：无线充电解决方案通过移除可见的电线，有助于打造更清洁、更现代的设计。

挑战和考虑因素

尽管无线电能传输有很多优点，但也面临着一些挑战：

• 效率：无线电能传输的效率通常低于有线电能传输，这是由于电磁场和能量转换过程中的损耗。提高效率是研发的关键领域。
• 范围：无线电能传输的范围受到电磁场强度的限制。近场技术的范围比远场技术短。
• 安全性：暴露于电磁场会引起安全问题。需要标准和法规以确保无线电能传输系统在安全限值内运行。国际非电离辐射防护委员会 (ICNIRP) 制定了电磁场暴露指南。
• 干扰：无线电能传输系统可能会干扰其他电子设备，尤其是那些在相似频率下运行的设备。需要屏蔽和过滤技术以最大限度地减少干扰。
• 成本：无线电能传输系统的成本可能高于有线电源系统，特别是对于远场技术而言。降低成本对于广泛应用至关重要。
• 标准化：缺乏通用标准阻碍了互操作性和全球应用。感应充电的Qi标准是一个值得注意的例外。

全球标准和法规

几个国际组织正在制定无线电能传输的标准和法规，以确保安全性、互操作性和兼容性。这些包括：

• Qi标准：由无线充电联盟 (WPC) 开发，Qi是感应无线充电最广泛使用的标准。
• AirFuel联盟：该组织制定了谐振感应和射频无线电能传输的标准。
• 国际电工委员会 (IEC)：IEC制定了电磁兼容性和安全标准。
• 国际非电离辐射防护委员会 (ICNIRP)：该组织制定了电磁场暴露指南。
• 联邦通信委员会 (FCC) (美国)：管理射频设备并设置电磁辐射限制。
• 欧洲电信标准协会 (ETSI) (欧洲)：制定电信和无线技术标准。

无线电能传输的未来趋势

无线电能传输的未来看起来充满希望，预计有几个新兴趋势将塑造该行业：

• 效率提高：研究人员正在努力通过新材料、电路设计和控制算法来提高无线电能传输系统的效率。
• 更长范围：远场技术的进步正在实现更长距离的无线电能传输，从而为航空航天、国防和工业自动化开辟新的应用。
• 动态充电：电动汽车的动态无线充电预计将变得越来越普遍，允许电动汽车在行驶时充电。
• 小型化：无线电能传输组件的小型化正在实现集成到更小、更便携的设备中。
• 多设备充电：可以同时为多个设备充电的无线充电板正变得越来越普遍。
• 无线电源网络：正在探索开发可以在建筑物或区域内分配能量的无线电源网络。
• 从环境源收集能量：更有效的能量收集技术将允许从环境无线电波和其他环境源为设备供电。

在无线电能领域进行创新的公司示例

全球众多公司正在突破无线电能技术的界限。以下是一些例子：

• WiTricity (美国)：电动汽车无线充电技术的领先公司。
• Energous (美国)：开发WattUp，一种基于射频的无线电能传输技术。
• Ossia (美国)：专注于Cota Real Wireless Power，它使用无线电波传输远距离电力。
• Powermat Technologies (以色列)：为公共场所和消费电子产品提供无线充电解决方案。
• Humavox (以色列)：专门为可穿戴设备和助听器等小型设备提供近场无线充电。
• NuCurrent (美国)：设计和制造无线电源线圈和系统。
• 村田制作所 (日本)：电子元件（包括无线电能传输模块）的全球领导者。
• ConvenientPower (中国)：为各种应用开发无线充电解决方案，包括消费电子产品和汽车。
• 小米 (中国)：展示了智能手机的空中无线充电技术。

结论

无线电能传输是一项快速发展的技术，有可能彻底改变我们为设备和系统供电的方式。从消费电子产品到电动汽车再到医疗设备，WPT正在广泛的行业中找到应用。虽然在效率、范围、安全性和成本方面仍然存在挑战，但正在进行的研究和开发正在为无线电能无处不在并无缝集成到我们生活中的未来铺平道路。技术创新的全球性确保了这些技术在不同市场和应用中的持续进步和应用。