“如科幻電影一般，拿著手機進入客廳，就能實現(xiàn)隔空充電。”日前，小米科技有限公司(以下簡稱小米公司)董事長兼首席執(zhí)行官(CEO)雷軍正式推出該公司首套自主研發(fā)的隔空充電系統(tǒng)。而在雷軍發(fā)布這一消息的兩個小時前，曾于2015年收購摩托羅拉手機業(yè)務的聯(lián)想集團就發(fā)布演示視頻，介紹了摩托羅拉的隔空充電技術。

相比于以往的無線充電，隔空充電距離真正意義上的“無線”更近了。

但在南京大學計算機科學與技術系副教授戴海鵬看來，摩托羅拉和小米公司的隔空充電還是一個概念性產(chǎn)品，短時間內(nèi)難以面市。

“市場對無線充電需求巨大。”華南理工大學電力學院教授張波在接受《中國科學報》采訪時預測，在相關技術及配套措施發(fā)展到一定程度時，“未來任何需要有線供電的產(chǎn)品，都有可能被無線充電技術全部或部分取代。”

隔空充電哪家強

“從目前公開的消息推測，這兩款隔空充電技術很相似，但相關細節(jié)目前還不得而知。”戴海鵬在接受《中國科學報》采訪時表示。

僅從摩托羅拉和小米公司公布的隔空充電技術宣傳視頻可以看出，兩家技術均支持在一米范圍外同時對多個設備充電以及邊充邊玩。而在前者最初公布的演示視頻中，當異物阻擋后，隔空充電就會停止;后者的技術不僅不怕異物阻擋，甚至還可在移動中邊走邊充電。

“一般認為，隔空充電就是不使用有線方式連接的、充電器與接收器間隔一定距離的無線充電技術。”戴海鵬介紹，簡單且便于理解的隔空充電技術劃分有三種：一是電磁耦合方式，如電磁感應，代表有Qi標準，工作在數(shù)百千赫茲的低頻頻段，是目前的主流標準;二是磁場共振方式，代表有AirFuel標準，工作在數(shù)兆赫茲頻段，主要針對電動汽車領域;三是非耦合方式，通過無線進行電力傳輸?shù)臒o線充電，包括射頻、激光、超聲、紅外等。

在戴海鵬看來，目前公開的隔空充電技術基本實現(xiàn)真正高效遠距離隔空充電，多個設備同時充電，且能夠克服異物遮擋影響并支持移動充電。

這些年來，無線充電技術在家用電子設備、智能家居、醫(yī)療設備、工業(yè)機器人、物聯(lián)網(wǎng)、水下探測設備、交通和航空航天等領域的研究成果越來越多。有學者統(tǒng)計，近十幾年，該領域發(fā)表的相關文獻總體呈現(xiàn)增長趨勢，其中2015年出現(xiàn)快速增長。并且，在全球范圍內(nèi)，我國發(fā)表的相關文獻最多。例如，在2017~2019年發(fā)表的無線充電技術相關的1070篇論文中，共有15篇高被引論文，中國研究成果達8篇。

研究人員在選取2017~2019年發(fā)表的1070篇文獻進一步分析時發(fā)現(xiàn)，基于實際應用場景研究成果總量有311篇，其中以傳感器、電子設備、電動汽車領域為主。

然而，自尼古拉·特斯拉開始，無線充電技術經(jīng)歷了一百多年的探索，至今仍然未能達到兼顧遠距離、高功率、安全的實用要求。

“目前的無線充電技術很難同時兼顧傳輸功率與傳輸距離。”同濟大學一位專家告訴《中國科學報》，磁感應、磁共振充電技術發(fā)射端和接收端的能量轉(zhuǎn)換效率較高，但難以實現(xiàn)遠距離供電;射頻、激光無線充電技術，由于電磁輻射，大部分能量損耗在傳輸過程中，或因安全、移動等限制了輸出功率。

上述兩款隔空充電歸于戴海鵬所介紹的電磁感應類型。“但有別于傳統(tǒng)厘米甚至毫米距離的近場電感耦合無線充電技術，它們利用遠場電磁耦合實現(xiàn)無線充電。”

戴海鵬進一步介紹道，遠場電磁耦合技術在充電器端使用天線將能量以較高頻率電磁波形式發(fā)送給終端設備，小米公司利用天線接收電磁波并進行能量轉(zhuǎn)化。正是由于使用天線發(fā)射和接收電磁波，此項技術得以突破傳統(tǒng)距離的限制。

場景和功率是關鍵

隔空充電技術雖然有市場需求，但關鍵還要看應用場景和充電功率。

根據(jù)小米公司公布的視頻信息，其隔空充電功率為5瓦。“相比手機動輒數(shù)十瓦的充電功率，還是略顯不足。”戴海鵬表示。

在他看來，其最大的潛在應用場景可能是智能家居領域，為一些智能門鎖等小功率產(chǎn)品進行供電，特別是一些家用小型傳感器。“這些傳感器目前普遍功耗較低，因此導致測量范圍、靈敏度等性能受到較大制約，提供的數(shù)據(jù)不夠精確。”

小米公司隨后公布了一些補充信息，表示其自主研發(fā)的隔空充電技術還可以為智能手表、手環(huán)等穿戴設備隔空充電，未來音箱、臺燈等小型智能家居產(chǎn)品也可實現(xiàn)無線供電，擺脫線材的束縛。

而目前市場上在售的部分品牌智能手機無線充電的功率已達到50瓦，同時有進一步向高功率發(fā)展的趨勢。例如，小米公司在2020年10月曾宣布其無線充電首次跨過80瓦大關，打破全球手機無線充電紀錄。

不過，2月19日，工業(yè)和信息化部發(fā)布了《無線充電(電力傳輸)設備無線電管理暫行規(guī)定(征求意見稿)》(以下簡稱征求意見稿)，規(guī)定適用于移動、便攜式以及電動汽車(含摩托車)的無線設備，并要求移動和便攜式無線充電設備應當工作在100~148.5kHz、6765~6795kHz、13553~13567kHz 頻段，且額定傳輸功率不超過50瓦，輻射參數(shù)應當滿足《無線充電(電力傳輸)設備技術要求》。

如果上述文件在正式發(fā)布前保留這一要求，就意味著智能手機無線充電“功率競賽”將于2022年1月1日終止。

除要考慮場景、功率外，隔空充電的成本也是問題，如小米公司的隔空充電技術所需要的充電樁的造價。

戴海鵬表示，考慮到隔空充電涉及毫米波、調(diào)制、發(fā)射、相控陣天線等技術，整個系統(tǒng)的實現(xiàn)需要借助一系列高成本的元器件和技術專利。“即使產(chǎn)品面世，價格可能也在上千元乃至上萬元級別，當前階段難以真正將產(chǎn)品落地進入民用市場。”

電磁輻射不容忽視

值得一提的是，摩托羅拉最初公布的視頻中，當用手遮擋發(fā)射器時，隔空充電立刻停止。“這是專門為用戶健康開發(fā)的安全設置。”聯(lián)想中國區(qū)手機業(yè)務部總經(jīng)理陳勁對此解釋道，“是工程設計的人機保護常識。”

隨后，摩托羅拉再次更新了自家隔空充電技術視頻。從視頻中可以看出，在放置多種異物進行阻擋后，手機依然可以正常充電。

類似于隔空充電這種攜帶能量的高頻電波對人體有害，是業(yè)界共識。

早在2014年，南京大學先進網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)科學研究組(LANDS)就開始關注無線充電過程中的電磁輻射安全問題，也是在我國率先提出并研究電磁輻射安全問題的科研團隊。戴海鵬介紹道，已有眾多學者致力于研究電磁輻射對人體生理健康的影響，并證實暴露的高電磁輻射對人體健康會產(chǎn)生危害，有可能導致精神疾病、組織損傷和腦腫瘤。

除此之外，相關研究也表明，孕婦和兒童更易受到電磁輻射的影響，且發(fā)現(xiàn)兒童的頭部對電磁輻射的吸收能力超過成年人的兩倍、顱骨骨髓的吸收能力超過成年人十倍。

《電磁環(huán)境控制限值》是我國現(xiàn)行的電磁輻射環(huán)境質(zhì)量標準，其對公眾暴露控制限制、評價方法等均有要求。“對照世界上大部分國家都遵循的國際非電離輻射防護委員會推薦限值標準，我國執(zhí)行的限值標準更為嚴格。”戴海鵬說。

隨著電動汽車的發(fā)展和流行，我國在2020年發(fā)布了相應的標準。該標準規(guī)定了在對電動汽車進行無線充電時，電動汽車內(nèi)外的電磁環(huán)境限值和測試方法。

“不同的電器，電磁波的頻率可能并不相同，但其輻射總量還是會疊加。”戴海鵬表示，這也是需要關注的問題。不過，“國內(nèi)外電磁輻射標準都對不同頻率電磁波輻射疊加影響有相應的衡量方法和閾值限制”。