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“无线充电技术”背后的秘密

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“无线充电技术”背后的秘密

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  不久前三星Galaxy S8发布,其亮点功能之一便是无线充电。同时苹果已在Apple Watch上成功试水,使用了无线充电技术,据说,未来的ihone 8极有可能支持无线充电技术。

“无线充电技术”背后的秘密

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  一般来说,人们每次要帮手机、电脑,或者其他各种电器充电时,总是要接一条充电线,充电线一多,还常常接错,实在非常麻烦。

  而使用“无线充电”的技术,只要优雅的将手机放在一个小小的、像杯垫一样的东西上面,不必接线就能轻松充电,这么厉害的科技背后到底有着怎样的秘密呢?且听小编慢慢道来。

  电与磁的作用和原理

  在探索无线充电技术原理之前,我们必须先来了解一下“电流磁效应”和“电磁感应”。

  1819 年,丹麦科学家厄斯特观察到一段导线上如果通有电流,四周将会产生磁场,可以让指北针偏转。后人则进一步发现,将导线围成环状,甚至绕成线圈,产生的磁场将会更强、更集中,这称为“电流磁效应”。

  1831 年法拉第发现,让一块磁铁或其他的磁场来源靠近一段没有电流的线圈,线圈上就会产生“感应电流”,称为“电磁感应”。

  值得注意的是,电磁感应的成立条件是磁场要有“变化”,如磁铁越来越近或越来越远。外加磁场若是一直保持不变,是不会有感应电流的。

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  这两种物理现象同时运用,就可以进行无线充电。目前的无线充电设备,都包含一个“充电座”,里面其实正是线圈。将充电座接到家用插头后,线圈周围会因为电流磁效应而产生磁场。

  要充电的电子产品,里面也都有一个线圈,当它靠近充电座时,充电座的磁场将通过电磁感应,在电子产品的线圈上产生感应电流。感应电流导引到电池,就完成了充电座和电子产品间的无线充电。

  人们可能会问,磁场不是要改变才能有电磁感应吗?可是充电座与充电的对象距离却始终保持不变,这样为何会有电磁感应呢?

  原来,家用插座中流出的电是“交流电”,也就是说电流的方向不断的交替变化,一会儿顺着流,一会儿反着流。正因为如此,充电座线圈产生的磁场随之不断在变换方向,并非保持不变,符合电磁感应的条件。

  但是不幸的是,智能手机或平板电脑在充电的时候,只要离充电座的距离稍远一些,充电效率就会明显下降。即便是最新的技术,充电距离也不能超过 5 公分。

  事实上,目前绝大部分可以无线充电的移动设备,都是要完全平放在充电座上才能进行,和想像中随走随充的无线充电仍有点差别。

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  为了增加无线充电的距离与充电效率,科学家正在设法利用“磁共振”的原理进行无线充电。在电路中加入一些电容、电感等特殊的元件,适当连接后,会形成“谐振电路”。

  谐振电路可以共振,两个振动频率相同的谐振电路放在一起,其中一个开始因为通电而震荡时,另一个电路也会跟着震荡起来,“自动”产生电流,电能就这样被隔空传送了。

  这样的现象称为“磁共振”,用来进行无线充电,可以让充电距离达到数米,效率也有所提升。唯一的困难就是,要将两个电路调整到一模一样的频率,并且维持一段时间。

  除了磁共振之外,也有科学家尝试用雷射光的光能来充电,甚至是将电能通过和家用的 Wifi 网路相近的电波频段来传送。

  无线充电技术的主要种类

  现阶段,无线充电存在四种不同的方式:电磁感应方式、电磁共振方式、电场耦合方式、无线电波方式。

  其中用在手机无线充电的技术主要是电磁感应技术和电磁共振技术,当然,无线充电一旦突破技术壁垒,在以后的家电,以及发展势头正猛的电动汽车上同样具有非常广阔的前景。

  电磁感应方式

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  我们今天见到的各类无线充电技术,大多是采用电磁感应技术,我们可以将这项技术看作是分离式的变压器。

  我们知道,现在广泛应用的变压器由一个磁芯和二个线圈(初级线圈、次级线圈)组成;当初级线圈两端加上一个交变电压时,磁芯中就会产生一个交变磁场,从而在次级线圈上感应一个相同频率的交流电压,电能就从输入电路传输至输出电路。

  如果将发射端的线圈和接收端的线圈放在两个分离的设备中,当电能输入到发射端线圈时,就会产生一个磁场,磁场感应到接收端的线圈、就产生了电流,这样我们就构建了一套无线电能传输系统。

  这套系统的主要缺陷在于,磁场随着距离的增加快速减弱,一般只能在数毫米至10厘米的范围内工作,加上能量是朝着四面八方发散式的,因此感应电流远远小于输入电流,能源效率并不高。但对于近距离接触的物体这就不存在问题了。

  最早利用这一原理的无线充电产品是电动牙刷——电动牙刷由于经常接触到水,所以采用无接点充电方式,可使得充电接触点不暴露在外,增强了产品的防水性,也可以整体水洗。

  在充电插座和牙刷中各有一个线圈,当牙刷放在充电座上时就有磁耦合作用,利用电磁感应的原理来传送电力,感应电压经过整流后就可对牙刷内部的充电电池充电。

  电磁感应方式的特点是传输距离短、使用位置相对固定,但是能量效率较高、技术简单,很适合作为无线充电技术使用。

  电磁共振方式

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  与电磁感应方式相比,电磁共振技术在距离上就有了一定的宽容度,它可以支持数厘米至数米的无线充电,使用上更加灵活。

  电磁共振同样要使用两个规格完全匹配的线圈,一个线圈通电后产生磁场,另一个线圈因此共振、产生的电流就可以点亮灯泡或者给设备充电。

  除了距离较远外,电磁共振方式还可以同时对多个设备进行充电,并且对设备的位置并没有严格的限制,使用灵活度在各项技术中居于榜首。

  在传输效率方面,电磁共振方式可以达到40%~60%,虽然相对较低但也进入商用化没有任何问题。

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  电磁共振方式将电能以电磁波“射频”或非辐射性谐振“磁共振”等形式传输,它具有较高的效率和非常好的灵活性,是目前业内的开发重点。

  电磁耦合方式

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  相对于传统的电磁感应式,电场耦合方式有三大优点:充电时设备的位置具备一定的自由度;电极可以做得很薄、更易于嵌入;电极的温度不会显著上升,对嵌入也相当有利。

  首先在位置方面,虽然它的距离无法像磁共振那样能达到数米的长度,但在水平方向上也同样自由,用户将终端随意放在充电台上就能够正常充电。

  我们可以看到电场耦合与电磁感应的对比结果,电极或线圈间的错位用dz/D(中心点距离/直径)参数来表示,当该参数为0时,表示两者完全重合,此时能效处于最高状态。

  当该参数为1时,表示两者完全不重合。我们可以看到,此时电场耦合方式只是降低了20%的能量输入,设备依然是可以正常充电,而电磁感应式稍有错误、能量效率就快速下降,错位超过0.5时就完全无法正常工作,因此,电磁感应式总是需要非常精确的位置匹配。

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  电场耦合方式的第二个特点是电极可以做到非常薄,比如它可以使用厚度仅有5微米的铜箔或者铝箔,此外对材料的形状、材料也都不要求,透明电极、薄膜电极都可以使用,除了四方形外,也可以做成其他任何非常规的形状。

  这些特性决定了电场耦合技术可以被很容易地整合到薄型要求高的智能手机产品中,这也是该技术相对于其他方案最显著的优点。显而易见,若采用电场耦合技术,智能手机厂商在设计产品时就有很宽松的自由度,不会在充电模块设计上遭受制肘。

  第三个优点就是电极部分的温度并不会上升——困扰无线充电技术的一个难题就是充电时温度较高,会导致接近电极或线圈的电池组受热劣化,进而影响电池的寿命。

  电场耦合方式则不存在这种困扰,电极部分的温度并不会上升,因此在内部设计方面不必太刻意。电极部分不发热主要得益于提高电压,如在充电时将电压提升到1.5kv左右,此时流过电极的电流强度只有区区数毫安,电极的发热量就可以控制得很理想。

  不过美中不足的是,送电模块和受电模块的电源电路仍然会产生一定的热量,一般会导致内部温度提升10~20℃左右,但电路系统可以被配置在较远的位置上,以避免对内部电池产生影响。

  电场耦合方式具有体积小、发热低和高效率的优势,缺点在于开发和支持者较少,不利于普及。

  微波谐振方式

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  英特尔公司是微波谐振方式的拥护者,这项技术采用微波作为能量的传递信号,接收方接受到能量波以后,再经过共振电路和整流电路将其还原为设备可用的直流电。

  这种方式就相当于我们常用的Wi-Fi无线网络,发收双方都各自拥有一个专门的天线,所不同的是,这一次传递的不是信号而是电能量。

  微波的频率在300MHz~300GHz之间,波长则在毫米-分米-米级别,微波传输能量的能力非常强大,我们家庭中的微波炉即是用到它的热效应,而英特尔的微波无线充电技术,则是将微波能量转换回电信号。

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  微波谐振方式的缺点相当明显,就是能量是四面八方发散的,导致其能量利用效率低得出奇,如英特尔的这套方案,供应电力低至1瓦以下,乍一看起来实用性相当有限。而它的优点,则是位置高度灵活,只要将设备放在充电设备附近即可,对位置的要求很低,是最符合自然的一种充电方式。

  我们可以看到,当设备收发双方完全重合时,电磁感应和微波谐振方式的能量效率都达到峰值,但电磁感应明显优胜。不过随着X-Y方向发生位移,电磁感应方式出现快速的衰减,而微波谐振则要平缓得多,即便位移较大也具有相当的可用性。

  尽管能量和效率处于较低的水平上,乍看实用价值较为有限,但作为PC业的巨头,英特尔具有化腐朽为神奇的本领,而它的做法也相当巧妙:英特尔将超极本设计为无线充电的发送端,手机作为接收端,这样只要手机放在超极本旁边,就能够在不知不觉中、连续不断地充电——相信在上班时,大多数用户都有将手机放在桌面上的习惯,此时充电工作就可以在后台开始了。

  即便英特尔所用的微波谐振方式只能充入很低的电量,但在长时间的充电下,智能手机产品的电力几乎将永不衰竭,至少从用户角度上看是这样,因为只要他携带着笔记本电脑、就根本不再需要关注充电问题。

  无线微波方式虽然能效很低,但使用最为方便。

  其他无线充电新技术介绍

  超声波无线充电

  一家名叫uBeam的公司发明了一种全新的无线充电模式,可以利用超声波将电力隔空输送到约5米外的地方。有了这样的产品,只要使用专用的无线充电套,你就可以在充电的同时拿着手机在屋里走动。

  uBeam的原型产品还比较笨重,但该公司正在努力缩小体积,尽快推向市场。据悉,已经有多家公司希望与uBeam达成战略合作,为顾客提供这种无线隔空充电服务,以便吸引更大客流,包括星巴克、维珍航空、喜达屋酒店以及多家快餐连锁。除此之外,uBeam还与苹果和三星等硬件厂商展开了沟通。

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  有很多公司都尝试过真正的无线充电,但多数都以失败告终,最终只实现了磁共振充电。这种模式必须将设备靠近发射器,甚至直接与发射器接触,所以并没有较插电式充电实现重大突破。然而, uBeam的无线充电模式可能具备巨大潜力。

  具体而言,uBeam使用的是超声传导技术,发射器通过插座或建筑物的电力系统取电,然后将其转换成超声波,再将震动发射到内置接收器的设备——例如配备无线充电套的手机,接收器之后负责将超声波震动转换成电力,为移动设备充电。uBeam表示,这种模式的充电速度与直接使用传统电源类似。

  这种超声波隔空充电方式有几大优势。首先,这种技术非常安全,它使用的超声波与监测胎儿时使用的超声波类似。另外,接收器的价格也很便宜,大约只需50美元,甚至更低,而且体积小巧。不仅如此,这些超声波还可以用于传输数据,可以在物联网领域发挥作用。

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  最吸引普通用户的在于,该种技术的有效范围大约5米,对移动中的设备同样有效。虽然智能手机已经在体积和性能上实现了重大进步,但电池续航能 力仍未得到太大改观,这不仅有损了用户体验,还阻碍了整个移动经济的发展。因此,uBeam的技术可能对整个行业形成促进。

  从长期来看,倘若uBeam的无线充电协议果真实现应有的潜力,意味着电线将会逐渐消失。不仅是手机,其他各类用电设备也都将使用这种技术。

  需要明确的是,uBeam仍在克服一些严峻的技术挑战,最终的产品可能无法在价格、功率、速度和安全方面达到预期。不过,倘若真能实现市场预期,便会成为一项革命性 的技术,这也正是人们梦寐以求的结果。

  利用聚焦光线充电

  如果你的智能手机在白天就出现了电量耗尽的情况,一般人们都会感到烦恼,大多数人的解决方法就是尝试记住在晚上要为他们的设备充电。

  即使是这样 做,有时也不够人们日常使用,全天充电有时是很有必要的,为此微软研究院已经制定出了一个潜在的解决方案:AutoCharge。

  微软研究人员们描述AutoCharge是一种自动定位桌子上的智能手机,并为它们充电的技术。他们制造的原型充电器可以被安装在天花板上,有两个工作模块:一个监测模块,其采用的是微软的Kinect摄像头,可以扫描像智能手机样子的物体;另一个是充电模式,采用了UltraFire CREE XM-L T6来聚焦LED光线。

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  该AutoCharge系统采用了基于图像处理来监测和追踪桌上的智能手机,并自动为智能手机充电。充电器会不断地旋转,直到它检测到一个看起来像智能手机的物体,之后将使用太阳能发电技术所产生的光束为智能手机远程充电。换句话说,就是无需电线。

  AutoCharge通过蓝牙或手机上的LED和智能手机建立连接。这确保了当电池充满电以后可以停止充电,以及确保那些大小和形状与智能手机类似的物体不能被充电。该系统在识别到有物体出现在了它和智能手机之间,对充电造成干扰时,还可以在50毫秒内自动关闭。

  无线充电技术标准

  目前主流的无线充电标准有三种:Power Matters Alliance(PMA)标准、Qi标准、Alliance for Wireless Power(A4WP)标准。

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  Power Matters Alliance标准

  Power Matters Alliance标准是由Duracell Powermat公司发起的,而该公司则是由宝洁与无线充电技术公司Powermat合资经营,拥有比较出色的综合实力。除此以外,Powermat还是Alliance for Wireless Power(A4WP)标准的支持成员之一。

  目前已经有ATT、Google和星巴克三家公司加盟了PMA联盟(Power Matters Alliance缩写)。PMA联盟致力于为符合IEEE协会标准的手机和电子设备,打造无线供电标准,在无线充电领域中具有领导地位。

  目前Duracell Powermat公司推出过一款WiCC充电卡采用的就是Power Matters Alliance标准。WiCC比SD卡大一圈,内部嵌入了用于电磁感应式非接触充电的线圈和电极等组件,卡片的厚度较薄,插入现有智能手机电池旁边即可利用,利用该卡片可使很多便携终端轻松支持非接触充电。

  Qi标准

  Qi是全球首个推动无线充电技术的标准化组织——无线充电联盟(Wireless Power Consortium,简称WPC)推出的“无线充电”标准,具备便捷性和通用性两大特征。

  首先,不同品牌的产品,只要有一个Qi的标识,都可以用Qi无线充电器充电。其次,它攻克了无线充电“通用性”的技术瓶颈,在不久的将来,手机、相机、电脑等产品都可以用Qi无线充电器充电,为无线充电的大规模应用提供可能。

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  Qi采用了目前最为主流的电磁感应技术。目前Qi在中国的应用产品主要是手机,这是第一个阶段,以后将发展运用到不同类别或更高功率的数码产品中。截至目前,联盟成员数量已增加到74家,包括飞利浦、HTC、诺基亚、三星、索尼爱立信、百思买等知名企业都已是联盟的成员。

  A4WP标准

  A4WP是Alliance for Wireless Power标准的简称,由美国高通公司、韩国三星公司以及前面提到的Powermat公司共同创建的无线充电联盟创建。

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  该联盟还包括Ever Win Industries、Gill Industries、Peiker Acustic和SK Telecom等成员,目标是为包括便携式电子产品和电动汽车等在内的电子产品无线充电设备设立技术标准和行业对话机制。

  该无线充电联盟将重点引入“电磁谐振无线充电”技术,与Qi的“电磁感应技术”有所区别,这两种技术各有千秋。

  前者传输效率可能较低,但可以实现稍远距离的无线充电。后者需要近距离接触,例如将手机放在一个底座上,不用接线就可以通过感应充电,但这样充电效率较高。

  A4WP标准组成联盟希望让无线充电迅速普及,让用户在任何地方都可进行无线充电。或者说,A4WP想要让无线充电便宜一些,并且在不增加手机、平板或者笔记本电脑体积的情况下增加充电接口,这意味着将有越来越多的制造商默认选择无线充电器。

  注:Alliance for Wireless Power(A4WP)和Power Matters Alliance(PMA)两大无线充电技术联盟现已合并。合并后的联盟更名为AirFuel Alliance。新名称标志着两大集团将努力携手共进,尽快将智能手机和平板电脑的无线充电解决方案标准进行统一,共同与Wireless Power Consortium (WPC)的Qi无线充电标准相竞争。


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