无线充电:线圈反击战

导语

无线充电技术的大规模应用,不仅能够改变消费电子产品的迭代模式,同时对汽车产业的影响也是前所未有的。

大刘在《三体2:黑暗森林》中曾描绘过这样一幅场景:「面壁者」罗辑在危机纪元205年从冬眠中苏醒后,发现整个世界都发生了翻天覆地的变化,其中最让他震惊甚至“掩面而泣”的是一个外表光秃秃但能够自动加热、调控温度的水杯。而护士随口一句“到处都是电啊”则道破玄机:这是一个无线充电技术已经完全取代传统取电方式的社会。

本期《经济学人》(The Economist)撰文对目前无线充电技术的发展趋势,分类标准以及在汽车领域的实践进行了探讨,深入分析了该技术大规模扩张可能面临的桎梏,编译如下。

按照无人机目前发展的热火趋势来看,未来不管是送包裹,还是看农场、抓犯人,这种体型小巧灵活的飞行器似乎都能够胜任。不过这家伙也并非没有缺点,其中最恼人的莫过于电池续航不足的问题。目前大部分市面在售的无人机,单次充电在空中停留的时间不超过30分钟,之后便需要更换电池或连接电源充电。

无线充电:线圈反击战
DHL用无人机运送包裹

不过,华盛顿大学的一名计算机学家Joshua Smith试图改变无人机所处的这一尴尬境地。今年五月,Joshua自己的Wibotic公司挂牌成立,意在解决包括无人机、地面机器人在内的自动化产品的充电难题。他希望摒弃物理连接的方式,当机器人或无人机电量低时,在靠近充电设备半米左右的范围内即可完成电能补给;而一家同样来自西雅图的初创公司LaserMotive更是野心勃勃。目前该公司正在开发的一套系统,它能够利用激光和光伏电池,为飞行中的无人机进行充电。

其实,将电能通过无线方式传输的想法,在一个多世纪前就有了。1893年,作为工业级电力应用倡导者之一的尼古拉·特斯拉,在当年芝加哥举行的哥伦布纪念博览会上,就曾展示过「隔屋点灯」的“绝技”。不过这种「点灯泡」的小伎俩和特斯拉怀揣已久的野心相比,似乎根本不值得一提。按照他的想法,未来利用高塔和气球进行“广播”,即可将电力输送到世界各地,甚至特斯拉还为第一次试验成功申请到了摩根大通的投资。

无线充电:线圈反击战
尼古拉·特斯拉

不过遗憾的是,和当时大部分物理学家预测的一样,特斯拉「无线输电」的试验最终以失败告终。尽管特斯拉的偏执与爱出风头曾一度被人诟病,但不可否认的是,一些能够实现远程电能传输的靠谱方式,目前正越来越受到关注。例如,特斯拉率先尝试的无线充电技术已经在手机上得以实现,而研究人员甚至正在开发类似的无线供电的厨电家居,抬头显示器等军用装备,心脏泵、脑电图等医疗器械。据市场知名调研机构IHS估计,目前每年此类设备的销售额在5亿美元左右,未来10年内,该数值将实现30倍的增长。

标准问题

抛开LaserMotive公司之前提到的「激光发电」不谈,目前主流无线充电技术背后都藏着一个最基本的物理原理——感应。通过初级线圈的交流电产生振动感应磁场,处于该磁场中,靠近初级的次级线圈中随之产生感应电流。如果两个线圈彼此贴近,同时保证电线缠绕方向一致,那么电磁感应的过程几乎不会丢失任何能量;但假设将两个线圈仅仅分开几毫米,或任意摆动其中一个线圈,电能传输效率随即大幅下降。

耦合感应原理

目前市面上所有的电动牙刷产品,均采用了上面提到的这种耦合感应式无线充电技术。但如果要在无人机上使用的话,这意味着飞行器需要长时悬停在充电设备上方的固定位置,显然并不太切实际。

Wibotic提供的解决方案是:将能量发送装置和能量接收装置中电路的振动频率调成一致,或使其在特定的频率上产生共振,即可实现电能高效传输。这种感应方式允许能量发送/接收双方的距离保持在线圈直径左右,除能为无人机充电外,根据此原理打造的充电设备既可以做成碗型,也能够嵌入桌面下方,为智能手表、笔记本电脑等产品供能。

和电磁感应一样,通过磁场共振产生电流的想法,特斯拉在1893年的展示中就曾实践过。但为了能在特定距离产生感应电流,整套系统进行了特别优化。但演化至今的共振感应技术能够随着情况的变化,自动更改其内部电路的电气化特征。因此,Wibotic方面表示,即使出现无人机剧烈摇晃或大风天气,也不影响系统的充电效率。飞利浦此前曾展示了一款具备无线充电功能的料理机,它依靠嵌入厨房灶台的线圈供能,丝毫不会受到泼溅汁水、污垢等影响。

不管无线充电技术是否能如大刘在《三体》中描绘的那般高度发达,但至少建立统一的行业标准必不可少。但自1890年无线充电技术初露端倪开始,以倾向于使用交流电的特斯拉和推崇直流电的爱迪生为首的两派学者争执不休,针对居民消费产品,迄今为止共衍生出三种主要技术标准。

  1. [1] Qi是全球首个推动无线充电技术标准化的组织--无线充电联盟WPC推出的“无线充电”标准。WPC成员中有将近200家科技公司,该标准允许无线充电设备的最大输出功率不超过5W,一般多为手机厂商所用。目前共有12款汽车提供符合Qi标准的无线充电设备,而共计80种不同型号的智能手机均可适配。此外,宜家出售的部分型号的组合式书桌以及床头灯内置了Qi标准的无线充电器。

  2. [2] 由Power Matters Alliance推出的PMA标准,是Qi的直接竞争者,主攻快餐市场。目前全美几百家麦当劳和星巴克连锁店中都已经开始向消费者提供符合PMA标准的无线充电器;

  3. [3] 无线充电联盟A4WP推出Rezence标准。它允许多个设备同时充电,而且在设备的位置与角度上较具弹性,其充电能力与时间也较符合消费者期待,最高传输功率不超过50W。尽管目前还没有适配Rezence标准的电子产品问世,但英特尔表示将在为平板和笔记本电脑研发的下一代微型处理器芯片上集成这一技术,最早明年将会有大量新产品问世。

今年6月初,PMA和A4WP正式宣布合并,未来将致力整合磁共振和磁感应技术,打造更加统一的无线充电标准,显然WPC联盟的Qi标准将会受到严重冲击。不过另类的苹果公司今年推出的Apple Watch智能手表,它使用的无线充电设备属于「自立门派」,并不符合市面上的任一标准。

一向另类的苹果,这次又带来了自己的无线充电标准

不过对普通消费者而言,无线充电技术的行业标准之争实则「利大于弊」,因为能够适配两种甚至多重标准的手机和其他电子产品势必将成为市场主流。

Alex Gruzen,无线充电设备公司WiTricity(A4WP联盟发起者之一)创始人,认为孰胜孰负并不关键,英特尔的加入将会对整个行业产生积极影响。Alex表示,2003年,当英特尔决定将无线网络功能集成至自家的处理器产品上时,谁都没有料到一场关于「Wi-Fi」的革命就此打响。所以,无线充电技术目前也正处于同样的变革期,未来一切皆有可能。

特斯拉的例外

随着无线充电技术在消费电子领域日渐崛起,汽车产业对这项新技术的关注度也在逐步攀高,而电动汽车的走俏也为无线充电技术开辟了新的市场商机。不过做事历来谨慎的车企并不希望陷入类似的「标准大战」中,因此汽车工程师协会SAE,在详细咨询了汽车制造商、无线充电技术公司以及电力供应商之后,确立了未来汽车无线充电服务的行业标准,即输出功率≤20kW,运行频率85kHz。

第一批搭载符合该标准无线充电器的车型预计将于2017或2018年面世。但有意思的是,以物理学家「特斯拉」命名的Tesla Motors却似乎对无线充电技术并不感冒,特别是CEO伊隆·马斯克认为无线充电技术和超级充电站相比,前者属于一种“低效且低能”的充电方式,但后者不仅最大输出功率是前者的6倍,同时已经在全球上千个地区扎根。

自带无线充电功能的马路

不过无论是插电还是无线,固定的电动汽车充电站依然满足不了某些公司的野心。近日,高通联合德国车企戴姆勒意在革新传统电动汽车的充电方式,它甚至希望未来能将无线充电器和公路整合一体。如此一来,掌握了该技术的汽车主机厂显然会将大部分竞争对手甩在脑后,因为作为电动汽车最昂贵的零部件,锂电池续航的多少会直接影响到车型的销量。目前,在韩国、意大利、英国和美国加州的部分地区,已经有很多电动巴士能够通过埋在地下的无线充电设备进行能量补给。

小结:

无线充电技术的大规模应用,不仅能够改变消费电子产品的迭代模式,同时对汽车产业的影响也是前所未有的。一旦车企将车载电池的容量削减一半,在不影响续航的情况下却节省了上万美金的成本开支,于消费者而言也是十分有利的,甚至可能会催生出全新的汽车购买/租赁模式。

尽管特斯拉未能实现在各大陆之间通过广播传输电能的夙愿,但他的这点「小伎俩」却可能会对人类社会的进步产生更深远的作用:无线充电技术的成熟带动了电动汽车的良性发展,而这恰恰意味着更新鲜的空气和更宜居的生存环境。

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