汽車、衛星和電網,無線輸電可不止手機快充這麼簡單

10月19日，小米公司官方發布消息，稱已經突破80瓦的無線充電技術，而這距離其全球首發帶有50瓦無線秒充技術的小米10至尊紀念版手機僅僅過去了兩個月。

據官方消息，使用小米80瓦無線秒充，4000mAh電池8分鐘就能充一半，19分鐘就能充滿，已經十分接近市面上最快的有線快充。

智慧型手機發展到如今已經有十餘載，無論是消費者還是廠商都感受到創新乏力，變革性的顛覆不多，而無線充電絕對稱得上其中一項。

一直以來，國內手機廠商都是這項技術的絕對擁躉，投入者甚眾。例如前不久OPPO透露的一個65瓦無線充電解決方案，據說可以在30分鐘內給4000mAh的電池充滿電。另外，一加的OnePlus 8 Pro也搭配有一個可選的30瓦無線充電器。

而以小米來說，其在無線充電技術上的探索已經兩年有餘。從2018年3月，小米國內首發7.5瓦無線充電，到2019年2月的20瓦、2019年9月的30瓦、今年3月的40瓦和8月份的50瓦，進展可謂神速。

其實，智慧型手機充電僅僅是電力無線傳輸應用的九牛一毛，只是因為貼近大眾生活而被熟知。事實上，在汽車、工業製造乃至太空探索領域，無線輸電的需求正與日俱增，而這項技術一旦大範圍普及，勢必會重塑人類社會的能源利用方式。

無線輸電源起

無線電力傳輸（Wireless power transfer，WPT）或無線能量傳輸（wireless energy transmission，WET）是指沒有電線作為物理環節的電能傳輸。在無線電力傳輸系統中，發射裝置在電源電力的驅動下，產生一個時變的電磁場，將電力跨越空間傳輸給接收裝置，接收裝置從電磁場中提取電力並供給電力負載。

無線輸電技術主要分為近場（near field）和遠場（far-field）兩類。在近場（非輻射）技術中，通過使用電線線圈之間的電感耦合的磁場，或通過使用金屬電極之間的電容耦合的電場，以實現在短距離內輸電。電感耦合是目前應用最廣泛的無線技術，其應用包括為手機等行動裝置和植入式醫療設備、RFID標籤、電磁爐、電動汽車等進行無線充電。

而在遠場（輻射）技術中，能量是通過電磁輻射束傳輸的，如微波或雷射束，因此也被稱為功率束。遠場輸電技術可以把能量傳輸到更遠的距離，但必須瞄準接收器。這種類型輸電技術的應用是太陽能衛星和無線動力無人機。

19世紀，關於如何傳輸電能的理論有了長足發展。法拉第在1831年用他的感應定律描述了通過時變磁通驅動導體迴路中電流的電動勢。許多發明家和實驗者都觀察到了沒有導線的電能傳輸，但由於缺乏統一的理論，人們將這些現象模糊地歸結為電磁感應，直到麥克斯韋建立了將電和磁統一為電磁學的理論，才證實了電磁波作為電磁能的「無線」載體的存在。

而無線輸電第一次在歷史上掀起波瀾還要等到天才發明家尼古拉·特斯拉。1890年後，特斯拉利用火花激發的射頻諧振變壓器（現在稱為特斯拉線圈），通過電感和電容耦合的方式傳輸功率，產生了很高的交流電壓。

特斯拉早期開發了基於近場電感和電容耦合的無線照明系統，並進行了無線點亮白熾燈泡的一系列公開演示。雖然最後未能將他的發現做成商業產品，但特斯拉的諧振電感耦合方法現在已經被廣泛應用於短距離無線輸電系統。

在遠場輸電方面， 特斯拉試圖開發一種無線配電系統，他希望能將電力直接遠距離傳輸到家庭和工廠。1900年，特斯拉提出了一個「世界無線系統」（World Wireless System），要在全世界範圍內傳送信息和電力。1901年，他試圖在紐約建造一個大型的高壓無線發電站，現在被稱為Wardenclyffe塔，但到了1904年，投資枯竭，該設施一直沒有完成。

電動車與「近場充電」    

線圈之間的感應式能量傳輸是最早發展起來的無線充電技術，自19世紀變壓器發展起來後就存在。20世紀60年代初，諧振感應式無線能量傳輸成功地應用於植入式醫療設備，包括心臟起搏器和人工心臟等設備。

近幾十年來，行動電話、平板電腦和筆記本電腦等可攜式無線通信設備的激增，目前正在推動中端無線輸電和充電技術的發展。2008年，無線電源聯盟（WPC）成立，其2009年8月發布的Qi感應式電源標準可以在4釐米的距離內為高達5瓦的可攜式設備進行高效充電和輸電。

但展望未來，除了手機和各種家用智能設備外，電動汽車也將成為近場充電的最大使用場景之一，會帶動相關行業蓬勃發展。

以燃油車禁令執行的比較堅決的北歐為例，挪威制定了雄心勃勃的ElectriCity計劃，要求所有計程車在2024年之前實現尾氣零排放，甚至連油電混動車型也被禁止。這現在挪威50%的新車都是電動車，遠遠高於任何國家的比例，挪威政府已頒布法令，到2025年所有新車必須實現零排放。

這種胡蘿蔔加大棒的緊迫感促使捷豹、無線充電公司Momentum Dynamics、北歐計程車運營商Cabonline和充電公司Fortam Recharge之間建立了合作關係。該集團的目標是打造全球第一支無線充電計程車隊。

為此，捷豹將為25輛I-Pace SUV配備Momentum Dynamic的感應式充電墊。這些墊子約60釐米見方，額定功率為50至75千瓦。當汽車在計程車隊列中行駛時，捷豹汽車會在一系列嵌入路面的感應線圈上停下來。利用85赫茲的諧振磁耦合，充電板將為計程車的電池輸送足夠的電能，每15分鐘無線輸電就能增加約80公裡的續航裡程。

2015年起，Momentum Dynamic就開始在美國四個城市進行電動公交車試驗，以證明其無線充電理念。這些公交試驗中，華盛頓州的一輛公交車以200千瓦的速度從沿途安裝的充電板中進行充電。Momentum Dynamics 執行長安德魯•達加（Andrew Daga）表示，「這一速度已經與一些最快的直流充電器不相上下，足以讓公交車24小時不間斷運行。」

此外，Daga聲稱其技術可提供94%的充電效率，當可擴展功率攀升至200甚至350千瓦時，充電效率保持穩定。Momentum高管表示，他們已經與一家未透露姓名的歐洲製造商達成協議，生產一款無線充電的城市配送卡車。

在國內，Momentum Dynamic與中國的電動車企吉利合作。具體的細節層面，Momentum Dynamics與吉利旗下的中歐汽車技術中心（CEVT）聯合研發的大功率無線充電技術及自動泊車技術，在今年上半年正式對外展示環節匯總。測試車輛搭載了CEVT最新款基於傳感器研發的自動泊車系統，可與Momentum Dynamics提供的充電墊實現實時校準反饋。

CEVT還表示，將自動泊車系統的實時校準反饋與無線充電技術相結合，車輛就能夠自行完成充電操作。在測試過程中，車輛停靠位置基本處於校準容差值範圍內，且無需人員介入操作。Momentum Dynamics還透露，下一階段，雙方將致力於將該項技術應用到不同類型的車輛及場景中，確保用戶能夠隨時隨地進行無線充電。

迫近現實的「無線輸電」    

可以說，任何科幻場景中都會有無線輸電技術的身影，而現在，這一暢想已經越來越接近現實了。

在第二次世界大戰之前，無線電力傳輸幾乎沒有取得什麼進展。主要因為無線電是為通信用途開發的，而相對低頻的無線電波向四面八方傳播，到達接收器的能量很少，因此無法用於電力傳輸。

但二戰期間微波技術的發展，使得遠場輸電首次成為可能。20世紀60年代，美國電氣工程師威廉·C·布朗（William C. Brown）首次實現了遠距離無線電力傳輸。

20世紀70-80年代微波研究的一個主要動機是開發太陽能衛星。該設想於1968年由彼得·格拉澤（Peter Glaser）提出，計劃利用太陽能電池從太陽光中收集能量，並將其以微波的形式傳送到地球上的巨大電力網中。

1975年，布朗進行了一次具有裡程碑意義的試驗，在試驗中，布朗演示了遠距離電力傳輸。他將475W的微波功率傳送到一英裡外的矩形天線上，微波到直流的轉換效率達到54%。

近年來，紐西蘭的初創企業Emrod一直在開發一種安全、無線地遠距離傳輸電力的方法，並已經與該國第二大電力分銷商合作實施。不久，世界上首個商用遠距離無線電力傳輸系統就將試行。

Emrod公司的系統使用一個發射天線、一系列繼電器和一個接收整流天線（能夠將微波能量轉化為電能的整流天線）。Emrod的新意是借鑑了雷達和光學的理念，將傳輸輻射聚焦得比之前基於微波的無線輸電更加緊密。

另外，Emrod系統的一個安全功能是沿平板接收器邊緣間隔的雷射器陣列，計劃捕捉並沿聚焦的能量束傳遞。這些雷射器指向發射器陣列的傳感器，這樣，如果一隻飛行中的鳥類打斷了其中一個雷射器，發射器將暫停一部分能量束，足夠鳥類飛過。

Emrod表示，它可以在任何大氣條件下工作，包括雨、霧和塵埃，傳輸距離僅受限於每個中繼器之間的視線，使其有可能將電力傳輸數千公裡，而所需的基礎設施成本、維護成本和有線解決方案對環境的影響卻微乎其微。

事實上，Emrod認為無線傳輸是可再生能源發電的一項關鍵技術，因為可再生能源發電通常是在遠離需要的地方進行。這種系統可以很好地將近海和遠程可再生能源發電產品送入城市電網，而不需要巨型蓄電池等。

參考資料：

[1] https://blog.mi.com/en/2020/10/19/xiaomi-introduces-pioneering-80w-mi-wireless-charging-technology/

[2] https://newatlas.com/energy/long-range-wireless-power-transmission-new-zealand-emrod/

[3] https://www.wikiwand.com/en/Wireless_power_transfer#/overview

[4] https://www.wikiwand.com/en/Inductive_charging#/Research_and_development_for_vehicles

[5] https://spectrum.ieee.org/energywise/energy/the-smarter-grid/emrod-chases-the-dream-of-utilityscale-wireless-power-transmission

[6] https://www.sohu.com/a/396875720_120110948

[7] https://spectrum.ieee.org/cars-that-think/transportation/advanced-cars/wireless-charging-tech-to-keep-evs-on-the-go