無線電源是一項新技術，已經(jīng)有望改變我們從智能手機到電動汽車的充電方式，具有改變未來戰(zhàn)爭的獨特潛力，并減輕士兵以及陸地，空中和水下載人和無人駕駛車輛的戰(zhàn)場電池負擔。美國軍方對下馬士兵進行數(shù)字化、感知其環(huán)境以及共享信息的目標可能需要的功率是當今作戰(zhàn)人員所需功率的兩倍。除非使用高諧振無線電力傳輸 （WPT） 系統(tǒng)實現(xiàn)電源管理的巨大變化，否則攜帶、操作和維護多個電池、電源線和連接器的繁瑣任務只會加劇。

在典型的 72 小時任務中，作戰(zhàn)人員攜帶多達 70 個原電池和 7 種重達 20 磅以上的電池1。除了攜帶備用電池的物理負擔外，依賴一系列單個電池還會導致對復雜供應鏈的依賴，用戶錯誤，浪費時間和設備故障。今天的軍用電池負擔遠遠超出了基于士兵的系統(tǒng)，延伸到有人駕駛和無人駕駛的空中，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，并且依賴于手動電池充電和/或更換技術。

總之，這些挑戰(zhàn)表明，人們迫切需要通過實施可顯著減輕電池負擔的新技術來重新思考、自動化和面向未來的戰(zhàn)場配電。無線電源提供了獨特的潛力，可以快速、安全、經(jīng)濟高效地自動為幾乎任何依賴電池的移動軍事設備或系統(tǒng)充電。

首次申請和后續(xù)步驟

美國軍方首次使用無線電源很可能是自動為戰(zhàn)場上使用的無人駕駛地面車輛（UGV）中的電池充電。除了改進和自動化電池充電過程的明顯好處之外，在此應用中使用WPT的主要動機是消除士兵離開裝甲車安全手動更換UGV電池時的暴露。嵌入在QinetiQ Talon機器人中的初始原型今年將部署到阿富汗進行現(xiàn)場測試，以便在機器人與裝甲車對接時為電池充電。

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

高諧振無線電力傳輸?shù)幕A知識

當兩個高質量因數(shù)電磁諧振器調諧到相同頻率并在磁耦合范圍內時，可能會發(fā)生高諧振WPT。

電源和捕獲設備包括專門設計的磁性諧振器，可通過磁性近場在中程距離上有效地傳輸功率。這些專有的電源和設備設計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/設備本身大小的倍數(shù)。

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

通過磁性近場的能量轉移可以穿透和纏繞障礙物，并且可以提供安全，非輻射的能量轉移?？蓴U展的設計可實現(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，傳感器和其他裝備中。

WPT系統(tǒng)的效率受到源諧振器和設備諧振器之間的相對尺寸、方向、對準和距離的限制，以及電力電子設備的工作頻率和效率。在電動汽車充電等應用中，在20厘米或更大的間隙內可以實現(xiàn)超過90%的端到端效率。

走向無線作戰(zhàn)人員

WPT是一種成熟的技術，已經(jīng)適用于當今的許多軍事應用。然而，為了發(fā)揮其最大潛力并滿足未來無線作戰(zhàn)人員的需求，該技術必須不斷發(fā)展，發(fā)展和在復雜程度和智能化方面增長。下一代組件、系統(tǒng)和設備在設計和開發(fā)時還必須考慮到 WPT，以優(yōu)化形狀、擬合度和功能，并確保系統(tǒng)高效、安全和準確 在過去一年中，WPT 出現(xiàn)了大量與國防相關的潛在用例，例如：

士兵背心到頭盔的WPT為頭盔安裝設備供電

士兵頭盔到護目鏡WPT為設備和除霧光學元件供電

車輛座椅背對士兵背心WPT，可為中央電池充電

操作底座機架到士兵背心WPT，為中央電池充電

簡單、智能的無線電源管理器

車載、插入式、多設備 WPT 充電盒

操作底座、插入式、多設備 WPT 充電盒

車對無人機 （UAV） WPT 系統(tǒng)

塔隆機器人以外的其他車輛到UGV WPT系統(tǒng)

車輛到無人水下航行器（UUV）WPT系統(tǒng)

無線可充電電池和多電池充電盒

士兵背心固定設備WPT為電池充電

士兵背心手持設備WPT為電池充電

除了從裝甲車上為Talon機器人無線充電的加固系統(tǒng)外，正在開發(fā)概念驗證原型，以便在嵌入背心的電池和用于為夜視和無線電設備等安裝電子設備供電的小型頭盔電池之間無線移動能量。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。

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

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

在未來幾年，預計國防系統(tǒng)的開發(fā)人員將在各種系統(tǒng)和設備中使用無線充電系統(tǒng)，以提高運營效率和便利性。通過這樣做，他們將利用一種顛覆性技術，能夠大幅減輕電池負擔，支持軍事系統(tǒng)中電源管理的徹底改革，并顯著提高未來作戰(zhàn)人員的任務效率。

審核編輯：郭婷