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无线充电黑科技:磁共振技术

时间:2017-08-16  来源:发展处 文宣办 文本大小:【 |  | 】  【打印

  继共享单车后,共享充电宝成为又一个备受资本追捧的“风口”。中国科学院深圳先进技术院数字所的无线充电创新团队,他们正研发一种高效率的无线充电“黑科技”,这支团队由美国哥伦比亚大学的终身教授,IEEE Fellow王晓东教授带领,核心成员有六名博士,均有研究无线通信和电子电路的背景。团队依托深圳先进院数字所,专注于磁共振针对小功率应用场景的技术研发、产品定制。他们于2015年入选深圳市“孔雀团队”计划,并获得深圳市科创委和先进院资金、技术和平台等多方面支持。 

  △ 团队部分成员合照 

  目前,团队已完成了磁场共振耦合关键技术和设备的研发,制作出无线充电系统原型。只需要把物品靠近磁共振线圈,就能实现“隔空充电”。 

  △ 无线充电系统由磁共振线圈阵列组成,图中线圈为发射端。 

  下图分别“点亮灯泡”和“为手机充电”实验。 

  灯泡下装置了接收线圈(接收端),当灯泡靠近发射线圈时,灯泡就会点亮。

隔着纸盒子,甚至把灯泡放到桌子底下,离发射线圈有一定距离,灯泡也能亮。 

  手机设备外接了一个接收线圈,当接收线圈靠近发射线圈时,屏幕点亮,屏幕上的绿色字显示手机正在充电,屏幕下方蓝色线波动。 

  团队的赵毓斌博士介绍,用磁共振技术实现无线充电,充电距离在半米以内都是有效的,充电效率非常高,在一个较近的距离,效率能达到90%以上,与有线充电的体验几乎一样。目前,他们做出的无线充电系统,实现了发射线圈10cm以内都是接收区。这意味着手机在此距离内可以随意“活动”,拿起、放下都没问题。用这种充电方式给手机充电和我们用充电线充电的功率相同。 

  目前为止,市面上常见的无线充电多采用“电磁感应耦合”方式,既接触式、感应式的充电方式。电动牙刷、Apple Watch以及最近新出的三星S8系列的无线充电功能都采用了这种方式。每次充电时,产品不需要通过一根电源线和电源相连。但“无线”也仅止于此,充电的底座需要插电,产品需要以小于5mm的距离准确贴合到充电板上的充电区域。而现在提供无线充电设备的公共区域并不多,这种形式也不利于个人携带,所以效率并不高 

  △ 左边是三星手机的立式无线充电器,采用的就是电磁感性耦合的充电方式。右边是我们平时用的电动牙刷内部结构图。 

  用磁共振技术实现的无线充电,优点不仅仅在于改善了接触式充电不够称心如意的用户体验,它还可以实现多设备同时充电,且不论手机还是其他设备外壳是金属还是玻璃材质,只要装备了接收线圈,都能充电。电路中6.78MHz的频率能避免干扰电子设备和人体辐射伤害。这种方式既能实现一定距离的无线充电,也有较高的充电效率,还不会浪费能量。 

  △ 多设备同时充电的模拟图 

  赵毓斌博士说:“我们可以控制线圈的电磁场,根据产品能量的需要,把磁共振供应到需要的位置上,可以通过程序控制电路,降低多余的能量的发射功率,这样就不会导致能量的浪费。”未来,一张桌子上平铺着线圈,在有效距离内任意拿起或放下手机都可以充电。出门不用担心没带充电宝,也不用担心手机没电借不出充电宝,我们只需要走进一个商场,一家饮品店,又或是一家饭馆,在时间间隙中就可以完成充电。这种场景,到2020年很有可能实现。 

  除了满足基本的应用场景――为智能手环、智能手表、智能手机等充电,这项技术在细分领域也有许多应用场景,而且已有部分落到实处。团队与装饰公司合作,推出灯饰;和无人机公司合作,设计“工业级无人机的充电停机坪”解决方案,为轨道交通的巡检机器人设计充电解决方案。 

  △ 磁共振无线充电原理示意图 

  “现在无人机续航时间较短,工业级应用的巡航时间不会超过两个小时、如果它没电了,落在、悬在停机坪上充满电又能飞了。此外,消费级的机器人,比如家里的扫地机器人,给它设计好路线,完成指令后就到指定的地方去,就能充上电,可以继续工作了。”赵毓斌博士介绍,接下来,他们将把发射线圈、电路集成芯片。未来的手机将会内置接收线圈和相应的芯片。此外, 团队致力实现大规模无线充电设备的互联互通,用以构建无线充电网络。 

  “在你手机快没电时,我们给你推送一些消息,帮你去寻找共享无线充电的位置在哪。根据充电产生的数据,后台做大数据分析,为公共管理提供实时信息,做一些广告的推送和附加的服务,产值可能高于无线充电自身。” 

  此外,微波无线充电以其可能实现远距离充电的特点,也被给予厚望。但赵毓斌博士说,微波辐射衰减太大,充电效率很低,手机对于微波就是大功率器件,目前还不是理想的解决方案,离产业化距离太远。 

  通过上面的介绍,你可能已经意识到,现在市场普遍使用的接触式充电并不是无线充电最好的解决方案,但能实现远距离隔空充电还需要太多的技术突破。磁共振技术是近几年可以期待的解决方案。