利用無線電源減輕戰(zhàn)場電池負擔(dān)

無線電源是一項新技術(shù)，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(dān)。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(wù)只會加劇。

在典型的 72 小時任務(wù)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(dān)外，依賴一系列單個電池還會導(dǎo)致對復(fù)雜供應(yīng)鏈的依賴，用戶錯誤，浪費時間和設(shè)備故障。今天的軍用電池負擔(dān)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(shù)。

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(dān)的新技術(shù)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(shè)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(yīng)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(chǔ)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(shè)備和系統(tǒng)。例如，無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(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)力情況下的潛在錯誤。

高諧振無線電力傳輸?shù)幕A(chǔ)知識

當兩個高質(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，可能會發(fā)生高諧振WPT。

電源和捕獲設(shè)備包括專門設(shè)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(shè)備設(shè)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(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，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。

通過磁性近場的能量轉(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展的設(shè)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(shè)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(shè)備的工作頻率和效率。在電動汽車充電等應(yīng)用中，在20厘米或更大的間隙內(nèi)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(shù)，已經(jīng)適用于當今的許多軍事應(yīng)用。然而，為了發(fā)揮其最大潛力并滿足未來無線作戰(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。下一代組件、系統(tǒng)和設(shè)備在設(shè)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(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

士兵頭盔到護目鏡WPT為設(shè)備和除霧光學(xué)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(shè)備 WPT 充電盒

操作底座、插入式、多設(shè)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(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(shè)備等安裝電子設(shè)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(shè)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(zhuǎn)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(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(yù)計國防系統(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(shù)，能夠大幅減輕電池負擔(dān)，支持軍事系統(tǒng)中電源管理的徹底改革，并顯著提高未來作戰(zhàn)人員的任務(wù)效率。

審核編輯：郭婷