無(wú)線電源是一項(xiàng)新技術(shù)，已經(jīng)有望改變我們從智能手機(jī)到電動(dòng)汽車的充電方式，具有改變未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的獨(dú)特潛力，并減輕士兵以及陸地，空中和水下載人和無(wú)人駕駛車輛的戰(zhàn)場(chǎng)電池負(fù)擔(dān)。美國(guó)軍方對(duì)下馬士兵進(jìn)行數(shù)字化、感知其環(huán)境以及共享信息的目標(biāo)可能需要的功率是當(dāng)今作戰(zhàn)人員所需功率的兩倍。除非使用高諧振無(wú)線電力傳輸 （WPT） 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電源管理的巨大變化，否則攜帶、操作和維護(hù)多個(gè)電池、電源線和連接器的繁瑣任務(wù)只會(huì)加劇。

在典型的 72 小時(shí)任務(wù)中，作戰(zhàn)人員攜帶多達(dá) 70 個(gè)原電池和 7 種重達(dá) 20 磅以上的電池1。除了攜帶備用電池的物理負(fù)擔(dān)外，依賴一系列單個(gè)電池還會(huì)導(dǎo)致對(duì)復(fù)雜供應(yīng)鏈的依賴，用戶錯(cuò)誤，浪費(fèi)時(shí)間和設(shè)備故障。今天的軍用電池負(fù)擔(dān)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了基于士兵的系統(tǒng)，延伸到有人駕駛和無(wú)人駕駛的空中，地面和水下車輛和系統(tǒng)，這些車輛和系統(tǒng)使用大量電力，通常受到電池壽命的限制，并且依賴于手動(dòng)電池充電和/或更換技術(shù)。

總之，這些挑戰(zhàn)表明，人們迫切需要通過(guò)實(shí)施可顯著減輕電池負(fù)擔(dān)的新技術(shù)來(lái)重新思考、自動(dòng)化和面向未來(lái)的戰(zhàn)場(chǎng)配電。無(wú)線電源提供了獨(dú)特的潛力，可以快速、安全、經(jīng)濟(jì)高效地自動(dòng)為幾乎任何依賴電池的移動(dòng)軍事設(shè)備或系統(tǒng)充電。

首次申請(qǐng)和后續(xù)步驟

美國(guó)軍方首次使用無(wú)線電源很可能是自動(dòng)為戰(zhàn)場(chǎng)上使用的無(wú)人駕駛地面車輛（UGV）中的電池充電。除了改進(jìn)和自動(dòng)化電池充電過(guò)程的明顯好處之外，在此應(yīng)用中使用WPT的主要?jiǎng)訖C(jī)是消除士兵離開裝甲車安全手動(dòng)更換UGV電池時(shí)的暴露。嵌入在QinetiQ Talon機(jī)器人中的初始原型今年將部署到阿富汗進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，以便在機(jī)器人與裝甲車對(duì)接時(shí)為電池充電。

在這一初步成功的基礎(chǔ)上，下一步是專注于實(shí)現(xiàn)其他高使用率、高功率和高可用性的設(shè)備和系統(tǒng)。例如，無(wú)線電源與智能電源管理相結(jié)合，有可能使下馬作戰(zhàn)人員攜帶的電池重量和原電池?cái)?shù)量減半以上，并降低無(wú)人駕駛車輛的能量存儲(chǔ)要求。減少對(duì)原電池的依賴將確保設(shè)備的可用性，并允許作戰(zhàn)人員專注于單一電源，從而消除高應(yīng)力情況下的潛在錯(cuò)誤。

高諧振無(wú)線電力傳輸?shù)幕A(chǔ)知識(shí)

當(dāng)兩個(gè)高質(zhì)量因數(shù)電磁諧振器調(diào)諧到相同頻率并在磁耦合范圍內(nèi)時(shí)，可能會(huì)發(fā)生高諧振WPT。

電源和捕獲設(shè)備包括專門設(shè)計(jì)的磁性諧振器，可通過(guò)磁性近場(chǎng)在中程距離上有效地傳輸功率。這些專有的電源和設(shè)備設(shè)計(jì)以及控制它們的電子系統(tǒng)支持跨距離的高效能量傳輸，這些距離是電源/設(shè)備本身大小的倍數(shù)。

與傳統(tǒng)的磁感應(yīng)相比，這種高諧振WPT技術(shù)具有優(yōu)勢(shì)，傳統(tǒng)磁感應(yīng)技術(shù)要求源和捕獲設(shè)備彼此非常接近 - 在毫米以內(nèi) - 才能有效地傳輸功率。

通過(guò)磁性近場(chǎng)的能量轉(zhuǎn)移可以穿透和纏繞障礙物，并且可以提供安全，非輻射的能量轉(zhuǎn)移?？蓴U(kuò)展的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)從毫瓦到千瓦的解決方案，而靈活的幾何形狀允許將WPT系統(tǒng)嵌入到背心，頭盔，武器，相機(jī)，傳感器和其他裝備中。

WPT系統(tǒng)的效率受到源諧振器和設(shè)備諧振器之間的相對(duì)尺寸、方向、對(duì)準(zhǔn)和距離的限制，以及電力電子設(shè)備的工作頻率和效率。在電動(dòng)汽車充電等應(yīng)用中，在20厘米或更大的間隙內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)90%的端到端效率。

走向無(wú)線作戰(zhàn)人員

WPT是一種成熟的技術(shù)，已經(jīng)適用于當(dāng)今的許多軍事應(yīng)用。然而，為了發(fā)揮其最大潛力并滿足未來(lái)無(wú)線作戰(zhàn)人員的需求，該技術(shù)必須不斷發(fā)展，發(fā)展和在復(fù)雜程度和智能化方面增長(zhǎng)。下一代組件、系統(tǒng)和設(shè)備在設(shè)計(jì)和開發(fā)時(shí)還必須考慮到 WPT，以優(yōu)化形狀、擬合度和功能，并確保系統(tǒng)高效、安全和準(zhǔn)確 在過(guò)去一年中，WPT 出現(xiàn)了大量與國(guó)防相關(guān)的潛在用例，例如：

士兵背心到頭盔的WPT為頭盔安裝設(shè)備供電

士兵頭盔到護(hù)目鏡WPT為設(shè)備和除霧光學(xué)元件供電

車輛座椅背對(duì)士兵背心WPT，可為中央電池充電

操作底座機(jī)架到士兵背心WPT，為中央電池充電

簡(jiǎn)單、智能的無(wú)線電源管理器

車載、插入式、多設(shè)備 WPT 充電盒

操作底座、插入式、多設(shè)備 WPT 充電盒

車對(duì)無(wú)人機(jī) （UAV） WPT 系統(tǒng)

塔隆機(jī)器人以外的其他車輛到UGV WPT系統(tǒng)

車輛到無(wú)人水下航行器（UUV）WPT系統(tǒng)

無(wú)線可充電電池和多電池充電盒

士兵背心固定設(shè)備WPT為電池充電

士兵背心手持設(shè)備WPT為電池充電

除了從裝甲車上為Talon機(jī)器人無(wú)線充電的加固系統(tǒng)外，正在開發(fā)概念驗(yàn)證原型，以便在嵌入背心的電池和用于為夜視和無(wú)線電設(shè)備等安裝電子設(shè)備供電的小型頭盔電池之間無(wú)線移動(dòng)能量。這減少了頭盔電池的尺寸和重量，并且不需要將頭盔連接到背心安裝電池組的電源線。

為國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）開發(fā)的概念驗(yàn)證原型也已成功證明，該原型將電力從軍用背心無(wú)線傳輸?shù)奖承目诖械氖殖衷O(shè)備。由美國(guó)陸軍資助的一個(gè)新項(xiàng)目將探索在車輛座椅之間將動(dòng)力轉(zhuǎn)移回士兵穿戴的背心的可行性，以便當(dāng)作戰(zhàn)人員坐在車輛中時(shí)，他們的中央電池可以充電。

WiTricity工程師展示了通過(guò)海水無(wú)線傳輸數(shù)百瓦功率的能力。將來(lái)，WPT系統(tǒng)可能會(huì)被封裝在密封的外殼中，以允許幾千瓦的電力通過(guò)水傳輸，并具有高度的空間自由度。WiTricity設(shè)想，UUV只需漂浮在碼頭，大型船只或其他電源旁邊即可充電，從而消除了對(duì)緊密機(jī)械耦合的需求，并允許電力安全，可靠和高效地在水下傳輸。

在未來(lái)幾年，預(yù)計(jì)國(guó)防系統(tǒng)的開發(fā)人員將在各種系統(tǒng)和設(shè)備中使用無(wú)線充電系統(tǒng)，以提高運(yùn)營(yíng)效率和便利性。通過(guò)這樣做，他們將利用一種顛覆性技術(shù)，能夠大幅減輕電池負(fù)擔(dān)，支持軍事系統(tǒng)中電源管理的徹底改革，并顯著提高未來(lái)作戰(zhàn)人員的任務(wù)效率。

審核編輯：郭婷