新知丨无线充电黑科技：磁共振技术
2017/8/26 中科院之声
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。
下图分别为“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。
来源：中国科学院深圳先进技术研究院
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