利用无线电源减轻战场电池负担

　　无线电源是一项新技术，已经有望改变我们从智能手机到电动汽车的充电方式，具有改变未来战争的独特潜力，并减轻士兵以及陆地，空中和水下载人和无人驾驶车辆的战场电池负担。美国军方对下马士兵进行数字化、感知其环境以及共享信息的目标可能需要的功率是当今作战人员所需功率的两倍。除非使用高谐振无线电力传输 （WPT） 系统实现电源管理的巨大变化，否则携带、操作和维护多个电池、电源线和连接器的繁琐任务只会加剧。

　　在典型的 72 小时任务中，作战人员携带多达 70 个原电池和 7 种重达 20 磅以上的电池1。除了携带备用电池的物理负担外，依赖一系列单个电池还会导致对复杂供应链的依赖，用户错误，浪费时间和设备故障。今天的军用电池负担远远超出了基于士兵的系统，延伸到有人驾驶和无人驾驶的空中，地面和水下车辆和系统，这些车辆和系统使用大量电力，通常受到电池寿命的限制，并且依赖于手动电池充电和/或更换技术。

　　总之，这些挑战表明，人们迫切需要通过实施可显著减轻电池负担的新技术来重新思考、自动化和面向未来的战场配电。无线电源提供了独特的潜力，可以快速、安全、经济高效地自动为几乎任何依赖电池的移动军事设备或系统充电。

　　首次申请和后续步骤

　　美国军方首次使用无线电源很可能是自动为战场上使用的无人驾驶地面车辆（UGV）中的电池充电。除了改进和自动化电池充电过程的明显好处之外，在此应用中使用WPT的主要动机是消除士兵离开装甲车安全手动更换UGV电池时的暴露。嵌入在QinetiQ Talon机器人中的初始原型今年将部署到阿富汗进行现场测试，以便在机器人与装甲车对接时为电池充电。

　　在这一初步成功的基础上，下一步是专注于实现其他高使用率、高功率和高可用性的设备和系统。例如，无线电源与智能电源管理相结合，有可能使下马作战人员携带的电池重量和原电池数量减半以上，并降低无人驾驶车辆的能量存储要求。减少对原电池的依赖将确保设备的可用性，并允许作战人员专注于单一电源，从而消除高应力情况下的潜在错误。

　　高谐振无线电力传输的基础知识

　　当两个高质量因数电磁谐振器调谐到相同频率并在磁耦合范围内时，可能会发生高谐振WPT。

　　电源和捕获设备包括专门设计的磁性谐振器，可通过磁性近场在中程距离上有效地传输功率。这些专有的电源和设备设计以及控制它们的电子系统支持跨距离的高效能量传输，这些距离是电源/设备本身大小的倍数。

　　与传统的磁感应相比，这种高谐振WPT技术具有优势，传统磁感应技术要求源和捕获设备彼此非常接近 - 在毫米以内 - 才能有效地传输功率。

　　通过磁性近场的能量转移可以穿透和缠绕障碍物，并且可以提供安全，非辐射的能量转移。可扩展的设计可实现从毫瓦到千瓦的解决方案，而灵活的几何形状允许将WPT系统嵌入到背心，头盔，武器，相机，传感器和其他装备中。

　　WPT系统的效率受到源谐振器和设备谐振器之间的相对尺寸、方向、对准和距离的限制，以及电力电子设备的工作频率和效率。在电动汽车充电等应用中，在20厘米或更大的间隙内可以实现超过90%的端到端效率。

　　走向无线作战人员

　　WPT是一种成熟的技术，已经适用于当今的许多军事应用。然而，为了发挥其最大潜力并满足未来无线作战人员的需求，该技术必须不断发展，发展和在复杂程度和智能化方面增长。下一代组件、系统和设备在设计和开发时还必须考虑到 WPT，以优化形状、拟合度和功能，并确保系统高效、安全和准确 在过去一年中，WPT 出现了大量与国防相关的潜在用例，例如：

　　士兵背心到头盔的WPT为头盔安装设备供电

　　士兵头盔到护目镜WPT为设备和除雾光学元件供电

　　车辆座椅背对士兵背心WPT，可为中央电池充电

　　操作底座机架到士兵背心WPT，为中央电池充电

　　简单、智能的无线电源管理器

　　车载、插入式、多设备 WPT 充电盒

　　操作底座、插入式、多设备 WPT 充电盒

　　车对无人机 （UAV） WPT 系统

　　塔隆机器人以外的其他车辆到UGV WPT系统

　　车辆到无人水下航行器（UUV）WPT系统

　　无线可充电电池和多电池充电盒

　　士兵背心固定设备WPT为电池充电

　　士兵背心手持设备WPT为电池充电

　　除了从装甲车上为Talon机器人无线充电的加固系统外，正在开发概念验证原型，以便在嵌入背心的电池和用于为夜视和无线电设备等安装电子设备供电的小型头盔电池之间无线移动能量。这减少了头盔电池的尺寸和重量，并且不需要将头盔连接到背心安装电池组的电源线。

　　为国防高级研究计划局（DARPA）开发的概念验证原型也已成功证明，该原型将电力从军用背心无线传输到背心口袋中的手持设备。由美国陆军资助的一个新项目将探索在车辆座椅之间将动力转移回士兵穿戴的背心的可行性，以便当作战人员坐在车辆中时，他们的中央电池可以充电。

　　WiTricity工程师展示了通过海水无线传输数百瓦功率的能力。将来，WPT系统可能会被封装在密封的外壳中，以允许几千瓦的电力通过水传输，并具有高度的空间自由度。WiTricity设想，UUV只需漂浮在码头，大型船只或其他电源旁边即可充电，从而消除了对紧密机械耦合的需求，并允许电力安全，可靠和高效地在水下传输。

　　在未来几年，预计国防系统的开发人员将在各种系统和设备中使用无线充电系统，以提高运营效率和便利性。通过这样做，他们将利用一种颠覆性技术，能够大幅减轻电池负担，支持军事系统中电源管理的彻底改革，并显着提高未来作战人员的任务效率。

　　审核编辑：郭婷