无线电力传输高科技（房间级无线电力传输梦想成真）

撰文：库珀编审：寇建超排版：李雪薇

21 世纪，家家户户都有各类电子设备，比如手机、智能穿戴、分布式传感器和机器人等，已经广泛应用于工业和个人生活之中。

但是，这些电子设备通常需要有线充电或一次性电池供电，多多少少还是有点麻烦，而且一次性电池还会造成环境污染，在这样的背景下，无线电力传输的好处被广泛看好，尤其是伴随着最新无线通信技术的商业化而备受瞩目。

现在的无线功率传输技术，能安全地将功率传输到一些贴近的电子设备中，但众所周知的问题是，目前可交付的无线充电和传输距离之间的权衡一直在阻碍着此类技术的进一步发展，想要一种远距离、无线、高功率充电或供电技术，是整个工业界的梦想。

如今，这个梦想可能很快要成真了。日前，发表在《自然·电子学》上的一篇最新论文报告了一种全新的无线供电黑科技，研究人员基于多模准静态腔共振（M-QSCR）的方法实现了室内规模的无线功率传输，在整个 3m×3m×2m 的试验室中，实现了超过 37.1% 的功率传输效率，根据安全指南分析验证，超过 50W 的功率可被输送到移动接收器。

图｜把整个房间转变成无线能量传输系统（来源：Nature Electronics）

实验数据证实，这种货真价实的房间级磁准静态无线电力传输，可以为智能手机和小家电等电子设备轻松充电和供电。

设想一下，如果这种技术能够普及开来，该有多酷？

无线功率传输的最新路径

业内早期对无线功率传输的尝试，主要基于电磁（EM）辐射（例如微波），尽管现代波束形成技术现在能在一定距离内有效地传输功率，但它们需要大型天线阵列和复杂的机制来进行连续跟踪。此外，由于微波会与生物组织产生相对较大的副作用，因此可能还会出现安全问题。

为了在不损害健康的情况下实现更高的功率水平，业界在磁共振耦合方向进行了诸多探索，即利用磁场在一对基于线圈的谐振器之间传输功率。然而，随着距离的增加，磁场强度会迅速降低，这种方法的功率传输范围一般限制在线圈直径附近。

此外，由于耦合不足，具有大发射机和小接收机的不对称系统表现出低效率，并且多线圈的使用仅将该范围扩展到二维表面。

准静态谐振腔（QSCR）使用具有中心极和插入集总电容器的房间尺度谐振腔，这种方法通过广泛分布在结构上的电流在房间内产生三维磁场分布，与使用传统腔谐振器用于无线电源相比，该技术的优点是将主要干扰生物组织的电场限制在集总电容器内，同时还可以通过调整集总电容器的值来调节系统共振频率。然而，QSCR 的场分布是不均匀的，因而导致有很大一部分房间体积的功率传输效率低下。

最近有分析表明，通过将 QSCR 扩展到多模结构，可以在更大体积上实现有效的功率传输。

基于此，研究人员通过实验证明，可以通过使用一个房间规模的多模谐振器来实现，该谐振器可以产生两个独特且分布广泛的磁场模式，当一起使用时，这些磁场模式足以覆盖整个体积。实验中，研究人员利用 M-QSCR 技术在整个尺寸为 3m×3m×2m 的试验室中实现了电力的高效输送，他们使用由导电表面和集电容器组成的共振结构，以适应具有相互独特的振荡表面电流模式的多个共振模式。

图 | M-QSCR 技术原理示意（来源：Nature Electronics）

基于这种方法，研究人员展示了电子设备的最新充电和供电方式，如台灯、风扇和智能手机等，都可以在一个带家具的房间里实现无线供电。模拟还表明，如此房间规模的谐振器可以安全地为功率范围小到 1/5000 的设备提供超过 50W 的功率。

这种方法还有两种模式，被称为极点独立（PI）模式和极点相关（PD）模式。

图 | PI 模式和 PD 模式（来源：Nature Electronics）

当 PI 模式被激发时，电流仅流经墙壁、天花板和地板，并在墙壁附近产生强磁场分布；相反，PD 模式会产生一个流过中心极的电流，该电流会产生一个磁场，该磁场在中心极周围循环，在中心极附近最强。

两种模式产生的磁场分布覆盖了每种模式的薄弱区域。因此，通过复用这些谐振模式，可以获得比任何一种模式都能覆盖的更大体积的强磁场。

让人惊喜的功率传输效率

研究人员通过模拟和测量确定 3m×3m×2m 房间尺度谐振器和 150mm×150mm 接收机之间的功率传输效率，接收器的最小功率为通电范围的 1/5000，这可以被视为高度不对称的配置，通常会受到耦合不足的影响。

对于接收器，研究人员使用六匝 150 mm×150 mm 方形线圈和串联电容器连接以调谐谐振频率，在测量中，使用外部驱动线圈来刺激房间规模谐振器的谐振模式。

实验结果表明，该系统形成了一个三维供电范围，两种模式成功地互补了彼此的零区。整个体积的评估表明，通过基于接收器位置多路复用 PI 和 PD 模式，提议的方法在 98.0% 的房间体积中实现了超过 50% 的效率。此外，在房间体积内的任何位置，功率传输效率均大于 37.1%。

图｜评估电力传输效率（来源：Nature Electronics）

该分析还表明，仅 PD 模式（与先前的单模 QSCR 非常相似）可在 57.5% 的房间体积内实现超过 50% 的效率，其效率在靠近墙壁处则会降低至 1%；当仅使用 PI 模式时（即省略中央导电极时），可在 52.4% 的房间体积中获得超过 50% 的效率。

总的来说，这种全新的无线充电方法有以下几个特点：（1）通过利用多个共振模式（即磁场模式），可以覆盖体积的显著更大部分，而不是单独使用任何一种模式；（2）功率传输范围依次形成 3D 体积，传输效率对 z 坐标的依赖性有限；（3）共振模式的储备允许省略中心极，这在以前的方法中是必不可少的，同时仍然覆盖了房间的大部分。

研究人员还注意到，所提出的技术能够在不干扰传统生活方式的情况下无缝地实现无线充电，其中接收器方向和线圈尺寸会一定程度影响功率传输效率。

房间级无线供电，安全性如何？

看到这里，很多人就有疑问了，我们玩手机都怕被辐射，如果这项无线充电技术走向家用或在公共环境商用，到底安不安全？对人体有没有巨大侵害？

在实验中，研究人员当然也考虑到了这层因素，所以对暴露于电磁场充电范围内人员的影响进行了测试评估。

作为安全措施参考，联邦通信委员会（FCC）、电气与电子工程师协会（IEEE）等都制定有关于电磁场暴露的指南，在使用的频率范围内，电磁场暴露引起的主要健康影响是温度升高和电刺激。

因此，研究人员认为，相关标准基于生物组织吸收的功率（即比吸收率（SAR））和对内部电场施加基本限制，是与健康效应相关的物理量。

SAR 值取决于输入功率和功率传输效率。例如，如果系统在非负载（即零效率）条件下驱动，则与高效率条件相比，即使输入功率较低，暴露水平也会达到监管限制。这是因为功率传输效率的增加增加了传送到接收器的功率的比例，因此，存储在房间尺度谐振器中的无功能量的比例降低。

对于后续的安全性分析，研究人员们分析了当系统以 50% 的功率传输效率运行时，SAR 达到监管阈值时的输入功率限制。

图｜基于 SAR 的安全性评价（来源：Nature Electronics）

出于安全起见，他们采用了一个 1.88m 全身解剖学模型，该模型沿房间中心和墙壁之间的线放置在 3 个位置，身体模型的每个位置考虑 2 个共振模式，总共测试了 6 种配置。

实验发现，对于每个构型，局部 SAR 的阈值都比全身平均 SAR 的阈值更早达到，且由于这些结果基于 50% 的功率传输效率，因此输送至负载的功率为输入功率的一半。

实验中，所有测试配置的输入功率阈值均大于 100 W，此外，如果人员被适当安置或限制在特定区域，输入功率可能会进一步增加。但整体来看，这项技术在合理参数范围内是可控的。

还有一点优势是，由于这项研究提出的方法是使用准静态磁场，通过调整集总电容的值，可以灵活地确定房间尺寸和接收器尺寸，与工作波长无关。

另外，使用准静态磁场的另一个好处是，日常家居物体的存在不会显著影响系统的运行效果。

研究人员展望，鉴于系统尺寸的灵活性和对外部物体造成干扰的鲁棒性，这项技术有望广泛应用于各种场景，包括充电柜、无线充电室和工厂等。

目前唯一的限制是接收器线圈还需要与环境磁场垂直定向，以在每个点获得最大效率，但研究人员表示，由于这种供电或充电技术技术覆盖了整个房间的体积，未来可以通过很多外围的技术克服这一挑战。

参考资料：

https://www.nature.com/articles/s41928-021-00636-3

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