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[导读] 无线充电技术英文名称Wireless Charging Technology ,无线充电指的是将电能透过非导电的物质传递。在实际应用中,通常指的是将电能透过一定的空间距离进行传递。由各种电池供电的消费类电子设备不断普及,使得家中充斥着大量不同的充电器和成捆的电线。充电成为影响用户终端设备体验的瓶颈之一,而无线充电则以其便捷性获得了各厂商的青睐。

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无线充电技术英文名称Wireless Charging Technology ,无线充电指的是将电能透过非导电的物质传递。在实际应用中,通常指的是将电能透过一定的空间距离进行传递。由各种电池供电的消费类电子设备不断普及,使得家中充斥着大量不同的充电器和成捆的电线。充电成为影响用户终端设备体验的瓶颈之一,而无线充电则以其便捷性获得了各厂商的青睐。

无线充电的历史

无线充电技术或者说无线电能传输的起源可以追溯到19世纪末期。由于电能的产生地与使用地往往存在很大的距离差异,而有线的输配电系统还没有建立起来,早期的科学家希望能够无线地把电能传输到使用地,于是就有了无线电能传输的需求。不少科学家在这个领域做了研究,其中以尼古拉?特斯拉(Nikola Tesla)为典型代表。1890 年,天才科学家尼古拉·特斯拉首次完成无线输电的实验。

十年后,特斯拉准备纽约长岛兴建了一座高达 187 英尺的铁塔,塔顶顶着一个直径 68 英尺的半球。特斯拉想通过塔顶的谐振变压器来产生超高电压,从而让空气在高压作用下电离成为导体,在输电端与用电端之间形成人造闪电,从而实现电能输送。他希望能够通过这座高塔实现全球无线输电的愿景。不过,最终塔还没建成,特斯拉先破产了,全球无线输电的计划随后便不了了之。虽然特斯拉失败了,但无线充电的概念却从此深入人心。特斯拉的多项专利都是现代无线通信技术以及无线电技术的基石。

早期的这种无线电能的传输都指的是远距离(以km为计量单位)的大功率(至少是kw级别)的电能传输。以这个目的来开展的无线电能传输的研究最终都以失败告终。但相关的基础理论研究由此开展并延续下来。在100多年后的今天,我们再回过头来看当年设定的这个无线电能传输的目标,发现它仍然是遥远的难以实现的。而到了近代之后,无线电能传输的需求逐渐被无线充电的需求所取代。我们今天讨论的无线充电指的是相对近距离(米级或更近)的电能传输。

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无线充电的痛点

在功能机时代,常见手机的使用时间可以轻松达到一个星期。而进入智能机时代,虽然电池的容量增大了3倍以上,智能手机的续航则下降到了一天左右。因此无线充电作为一种简易可行的智能设备充电方式受到了越来越多的关注。

诺基亚、三星、LG 十多年来,对充电距离是一筹莫展,手机无线充电没有突破的原因在于,大多数都采用了 Qi 无线充电规范,这项规范由无线充电联盟 WPC(Wireless Power Consortium)制定,而在 2014 年之前,Qi 无线充电规范并不支持磁共振协议,厂商只能选择电磁感应式。

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无线充电技术原理分类

无线充电有多种实现的方式,较为常见的有:磁场感应、磁场共振、电场感应、电磁波等。概括来讲,第一种和第二种最为常见,都是利用空间磁场传递能量。第三种是利用空间电场。第四种是利用空间电磁波。我们通常认为电和磁相关联,所以觉得上述的四种方式都差不多。

然而这四种方式中,第四种是最特殊的。利用空间电磁波的方式是四种方式中唯一可以实现远距离无线充电的。它的工作频率是最高的,通常都在几百兆赫兹以上,比另外三种最少要高两个数量级即100倍以上。与其他三种方式相比,只有它的能量是对外发射出去的。

电磁式

现阶段市面上最主流的无线充电技术是采用的第一种即磁感应原理。磁感应的原理在电力电子技术中应用的历史是相当悠久的。其应用的最典型的代表是“变压器”。变压器的原理是当原边绕组通过交流电的时候,在绕组周围产生空间的交变磁场,该磁场大部分被磁性材料束缚并经过副边绕组。

副边绕组所围绕的空间由于有交变磁场的存在而感应出交变的电流。这个原理是法拉第的电磁感应定律,即导体切割磁场会产生电动势。由于原边绕组和副边绕组之间没有电的连接,变压器中已经实现了电能的无线传输。注意,磁性材料只是为了束缚磁场(磁通),它本身并不是为了来导电的。

磁共振

谐振这种无线输电方式与无线通信原理类似,其发送端谐振回路的电磁波全方位开放式弥漫于整个空间,在接收端回路谐振在该特定的频率上,从而实现能量的传递。这种输电方式在接收端输出功率比较小时可以得到较高的传输效率。但其存在电磁辐射,传输功率越大,距离越远,效率越低,辐射就越严重。磁耦合共振这种方式可以看作是谐振式的加强版,它需要发射和接收两个共振系统,可分别由感应线圈制成。

通过调整发射频率使发射端以某一频率振动,其产生的不是弥漫于各处的普通电磁波,而是一种非辐射磁场,即把电能转换成磁场,在两个线圈间形成一种能量通道。接收端的固有频率与发射端频率相同,因而发生了共振。随着每一次共振,接收端感应器中会有更多的电压产生。经过产生多次共振,感应器表面就会集聚足够的能量,这样接收端在此非辐射磁场中接收能量,从而完成了磁能到电能的转换,实现了电能的无线传输。

2007 年,MIT 的研究员实现了极具商业前景的远程充电技术 WiTricity,这种技术的基本原理是利用高频磁共振原理,输电端与用电端的共振频率相同,因此可以实现远距离的能量输送。在当年的 TED 讲台上,研究员无需任何线缆,就可以在 2 米之外给 60W 的灯泡供电,甚至还可以给初代 iPhone 充电——不过无线供电装置大得吓人,还要给 iPhone 装个底座。磁共振无线充电的核心思想是通过对偶的谐振器件(电感和电容)将能量通路控制得更加通畅。简单来解释磁共振技术原理,初中物流课本都有的知识简单说就是:电生磁,磁生电!

电场感应

电场感应基本很少应用。人体内信息的传递靠的是生物电,而较强的空间电场有可能影响到人的神经系统。与空间电场相比,空间磁场能够占些便宜的原因,不是因为它更适合无线充电,而是因为人体对空间磁场更加不敏感。

无线电波

无线充电技术或许才是人们真正“想要”的无线充电黑科技。就是无线充电可以表现的像无线上网一样,能够随时随地,间隔5米或者10米对手机进行充电。无线电波我们都知道电磁波可以用来传递信息,那么理论上,只要频率够高,也可以传输能量。这种无线充电方式或许才是最接近人们想象中无线充电的样子,在电源处安置一个电磁波发生器,再通过发射天线将能量传输至接收天线,再将电磁波信号重新转成电能供设备使用。

可这种电力传输方式也有着明显的弱点,比如电磁波受干扰大、传输效能低、对人体有辐射等。我们知道常见的Wi-Fi频率是2.4GHz,现在也有5GHz的Wi-Fi信号了,既然能够传递数据,那么理论上也可以传递能量。常见的家用无线路由器的功率等级大概是10mW,我们只需要把这个路由器的功率等级增大2000倍,就可以给手机进行充电了。

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无线充电技术应用分类

电磁式

目前应用此种方式传递电能的方式已广泛应用于小功率、短距离的无线充电市场,如电动牙刷、手机、相机等小型便携式电子设备,一般由充电底座对其进行无线充电。电能发射线圈安装在充电底座内,接收线圈则安装在电子设备中。目前京东和淘宝上卖得手机后装的无线充电发射器和接收器都是用的电磁感应的方式,优势是市场相对相对成熟,经过市场初步检验,传输能量效率较高,技术简单;缺点是传输距离短,使用位置相对固定,附近不能有金属。

磁共振

早在 2014 年,就有一家名为 Energous 的公司研发了一种无线充电技术 WattUp,其原理跟之前提到的磁共振相关。只要给 iPhone 安装上专用的无线充电模块,就可以在 4 米内为 iPhone 充电。与十年前 WiTricity 的演示不同,Energous 用于接收能量的芯片能做到比硬币还小,因此内置到 iPhone 当中也不成问题。磁共振方式的优点:可以同时对多个设备进行充电;适合中远距离充电如电动车;可对金属机身手机充电;可以和手机NFC功能结合。

在 CES 2017 展会上,Energous 公司的 CEO 已经暗示道,他们已经和「世界上最大的消费电子企业」签署了合同。能挂上这个名号的企业,或许只有市值宇宙第一的苹果,但iPhone8与X上并未应用。WattUp 支持多向充电,只要在客厅电视下方放置一个充电器,就可以给全客厅的电子设备进行充电。未来,或许只要在家里摆上一个无线充电器,就可以让你的 iPhone、iPad、Mac、Apple Watch 时刻处在充电状态。正如苹果 AirPods 耳机宣传视频所说的那样:这才是苹果追求的无线世界。可见,从 iPhone 7 取消 3.5mm 耳机孔开始,苹果已经开始布局无线充电,iPhone9拭目以待。

无线充电的弊端

第一代磁感应无线充电技术最为人诟病的是使用时空间自由度低。即充电区域的面积很小,手机需要准确地放置在这个位置上,且不能有较多的垂直间隔。只有手机背贴的线圈和充电器里的线圈位置正对时,才能够进行无线充电,其有效充电面积大概是两个一元硬币大小。这一点使得很多人在使用时经常遇到因为对不准位置而造成充电失败的情况。这种情况的多次发生就极大的影响了用户使用体验。换言之,较高的学习成本阻碍了这种技术的广泛应用。

第四种用磁波进行无线充电也几个缺点。第一是充电效率会非常低。电磁波的能量是对外发散的,可以想象成一个一个的能量包裹(即光子),从发射源离开之后不管有没有被待充电设备接收,能量都是消耗了的。可见光也是一种电磁波。我们可以想象采用这种技术的无线充电器是一个小太阳,不管有没有手机在,被小太阳照射的地方都会发热一样。

当然也有一些机制,比如可调整方向的天线群组,让电磁波往某个方向更加的集中。其最典型的例子就是用激光。然而用激光来定向的发射能量是不允许中间有阻挡的,这一点在现实使用中也是不现实的。第二个缺点是,对人体的影响。(是的,又提到了对人体的影响)。电磁波的能量是对外发散的,基本上是遇到什么就被什么吸收掉。在一个放置了2000个无线路由器的家里,手机能够得到电能补充的同时,人会比手机吸收更多的能量,因为人的块头要比手机大太多。

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两大无线充电标准

无线充电有三大主流标准,即Power Matters Alliance(PMA标准)、Wirele Power Consortium(Qi标准)和Alliance for Wirele Power(A4WP标准)。2015年1月,其中的两个A4WP与PMA宣布融合为一个组织,期望建立起统一的无线充电标准。

为了推广磁感应无线充电技术,香港城市大学主导成立了一个国际标准组织,WPC(wireless power consortium)。这一标准是为了统一无线充电技术,并保证不同厂家所生产的设备之间能够互通共用,WPC组织在2012年年底推出了第一个无线充电的国际标准Qi标准。Qi的发音来自中文“气”,寓意为无形的能量。该标准一经推出即受到业界的推崇,主流的芯片厂商和电源设备厂商均加入该标准组织。截止2015年9月,WPC组织共有217家成员。

基于磁感应技术的国际标准组织还有一个是PMA。在2012年,高通,三星,博通,Intel等公司主导成立了新的无线充电国际标准组织,A4WP (alliance for wireless power)。在2015年A4WP与原有的专注于磁感应无线充电技术的国际组织PMA合并。第一款符合Qi国际标准的智能手机是2012年诺基亚推出的Lumia810。可以清晰的地看到一开始诺基亚就是试图押宝Qi的磁感应无线充电技术的,寄希望于能够靠无线充电这一特点扭转诺基亚在智能手机行业的颓势。

在没有收到很好的效果之后,诺基亚又押宝在拍照效果上,直接把智能手机做成了可以打电话的相机。当然由于Windows Phone的生态环境问题,诺基亚最终没有实现逆转,最终将手机部门卖给了微软。A4WP推出的国际标准称之为“rezence”,由resonant essence两个字合并而来。该标准规定了高频共振式无线充电系统应该遵从的统一规范,从而保证各厂商之间的设备能够共通互用。

与基于磁感应的Qi的标准相比rezence的标准具有三个主要特点:开关频率6.78MHz,比Qi的工作频率高大概30倍到60倍。Qi的工作频率可以是变化的;磁共振无线充电系统。发射边和接收边的系统谐振参数应基本保持一致;通讯不再通过磁场耦合而是利用蓝牙进行通信。这样可以保证通信的可靠性。并且可以支持一对多同步通信。

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苹果的布局:iPhone 8配备的AirPower

苹果确认新iPhone使用的无线充电标准并非“私货”,而是标准的Qi协议,苹果终于用上了几年前的技术。早在2009年的Palm Pre上就标配了无线充电器“点金石”,当时即被许多手机发烧友奉为神物,三星、诺基亚也出过不少无线充电手机,却再难现当日辉煌。

AirPower 充电枕——它可以同时为新iPhone、Apple Watch Series 3和新款配备无线充电盒的AirPods充电。金属材质的背板基本与未来几代 iPhone 无缘了,玻璃、塑料等等不影响无线充电的后背材质将会成为主流。当然,只要带有 Qi 标志的产品,不论是哪家厂商出的无线充电板都可以为苹果设备充电。

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