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    这才是下一个爆发点 无线充电技术解析

      [  中关村在线 原创  ]   作者:  |  责编:席龙飞
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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。三星Galaxy S8搭配了折叠式无线充电器,利用无线充电,三星Galaxy S8的电量能被很快充满。但一个尴尬的事实是,无线充电仍然只是少数厂商的坚持。不过在三星坚持的同时,苹果也暴露了布局无线充电的野心,两大巨头的不谋而合,很可能在这个尚未被重视的领域再次开战。

    这才是下一个爆发点 无线充电技术解析 这才是下一个爆发点 无线充电技术解析

        就目前手机行业现状来说,无线充电尚未大面积流行,没火的原因并不是因为无线充电没有搭载的必要,而是现阶段该技术还存在诸多短板。三星的无线充电方案已经达到了手机无线充电领域最为前端的水准,但仍需要在技术方面得到质的飞跃。

        有消息称,三星Galaxy S8无线充电支持Qi和PMA两种协议,这两种协议仍有两大短板尚未解决——传输距离短,摆放位置要求严格,这也是阻碍无线充电流行起来的技术门槛。为何技术难点迟迟难以攻克,我们先要从无线充电的原理讲起。

    《三体》无线供电技术起步 无线充电解析 手机无线充电

        无线充电的原理就是利用电磁波感应,其过程类似于变压器通电,在发送和接收端各有一个线圈,发送端线圈连接有线电源产生电磁信号,接收端线圈感应发送端的电磁信号从而产生电流给电池充电。无线充电技术的原理研究可以追溯到19世纪30年代,科学家迈克尔•法拉第首先发现了电磁感应原理,即周围磁场的变化将使电线中产生电流。到了 19世纪 90年代,爱迪生光谱辐射能研究项目的一名助手,也是后来的科学家尼古拉•特斯拉证实了无线传输电波的可能性。

        现阶段无线充电存在四种不同的商用技术:电磁感应技术、无线电波技术、电磁共振技术、电场耦合技术,主要用在手机无线充电的技术是电磁感应技术和电磁共振技术。当然无线供电在以后的家电,以及发展势头正猛的电动汽车上也有比较广阔的前景。一旦无线充电突破技术壁垒,在保证转化率、安全性、易用性的同时,高效快速的充电就会像科幻小说《三体》里描述的那样,给人类带来生产力的进一步发展。在这里,我们单说一下关乎手机充电的电磁感应、电磁共振。

    电磁感应式充电

        初级线圈一定频率的交流电,通过电磁感应在次级线圈中产生一定的电流,从而将能量从传输端转移到接收端。目前最为常见的手机无线充电解决方案就采用了电磁感应,手机无线充电使用的充电座和终端分别内置了线圈,二者靠近便开始从充电座向终端供电。为提高供电效率,需要使线圈之间的位置对齐,不产生偏移。

    《三体》无线供电技术起步 无线充电解析 电磁感应原理(图源:电子发烧友网)

        现阶段电磁感应无线充电相对于磁场共振充电能够拥有更高的转化率,充电转化率可达80%左右,目前该技术被广泛的运用到了手机无线充电领域。但这种方式的无线充电技术也存在比较明显的弊端——传输距离短、位置要求严格。现阶段上市的无线充电手机,都需要手机与充电板接触才能进行无线充电,而且对放置位置有着极为苛刻的要求。

    《三体》无线供电技术起步 无线充电解析 无线充电线圈位置(图源:rtako旗舰店官网)

        采用这种方式的无线充电传输距离难以改进,所以厂商针对其放置位置要求严苛的情况进行了改良。2011年8月从事智能手机外设业务的日本Oar公司推出了名为“无线充电板”的充电座。内置有磁铁,可以将终端吸引到指定位置;松下于2011年6月推出的“无接点充电板”内部的线圈带有驱动装置,可在平面中移动。通过自动检测终端放置位置,并移动至该位置,使线圈的位置相一致,从而实现终端放在充电板上的任何位置均可充电;日立麦克赛尔于2011年4月上市的无线充电器“AIR VOLTAGE”内置14个线圈,从而增加位置对准的概率。但显然这样的改良需要更高的成本去支持。

    《三体》无线供电技术起步 无线充电解析 AIR VOLTAGE(图源:搜狐网)

    磁场共振充电

        该系统由能量发送装置和能量接收装置组成,当两个装置调整到相同频率,或者说在一个特定的频率上共振,它们就可以交换彼此的能量。例如将两个铜线圈作为共振器,发射端以10MHz频率振动,周围会发散出电磁场,而接受端需要同样以10MHz频率振动,才能接收到这个传递过来的能量。

    《三体》无线供电技术起步 无线充电解析 磁场共振原理(图源:电子发烧友网)

        2007年6月7日,麻省理工学院的研究团队在美国《科学》杂志的网站上发表了他们的研究成果。研究小组把共振运用到电磁波的传输上,从而成功“抓住”了电磁波。他们利用铜制线圈作为电磁共振器,一团线圈附在传送电力方,另一团在接受电力方。这项被他们称为“无线电力”的技术经过多次试验,已经能成功为一个两米外的60瓦灯泡供电。目前这项技术的最远输电距离还只能达到2.7米。如果要缩小线圈尺寸,接收功率自然也会下降。相比电磁感应方式,利用磁场共振可延长传输距离。磁场共振方式不同于电磁感应方式的另一点优势在于其无需使线圈间的位置完全吻合就可以实现较为高效的供电。

        由于磁场共振式充电可以不受位置的严苛限制,并且能够实现一对多充电,这种方式将成为未来手机乃至电动汽车、家电等无线供电的发展方向。但目前需要解决的技术壁垒就是转化率低,无法解决这个问题的话,想要让这种方式大面积普及就得像《三体》中描述的那样:“即使在两个世纪前,这也是一项很普通的技术,之所以在当时没有普遍使用,是因为这种供电方式损耗太大,发射到空间中去的电能只有一小部分被接收使用,大部分都散失了。而在这个时代,由于可控核聚变技术的成熟,能源已经极大地丰富了,无线供电所产生的损耗变得可以接受。”

        另外一个需要解决的问题就是电磁辐射。当然为手机充电这种小功率的电磁辐射还不必担心,但为了满足像电动汽车充电这种对功率要求高的情况,发射端就必须提高电压和频率,从而产生大功率电磁波。长时间遭受电力线的磁场辐射会有害健康已是科学界的共识,大功率磁场对身体的损伤就更为严重,而且会对电器产生干扰。所以想要推广大功率的无线充电,就要改变或者规避这些辐射。

    手机无线充电标准

        现阶段手机无线充电标准联盟主要有两个,一个是WPC,一个是Airfuel。

        2008年12月17日,飞利浦电子、德州仪器、国家半导体等几大公司携手组建无线充电联盟WPC,共同制定无线充电标准Qi,以提高不同产品的兼容性。Qi是迄今为止全球分布范围最广、最普及的无线充电标准。因为采用统一的无线充电标准,所以只要是支Qi协议,来自不同厂商的产品无线充电功能也能通用。

        Qi无线充电标准采用电磁感应技术,所以这种无线充电标准最大的问题就是刚才提到的那些,其技术实现需要用户将终端对准无线充电的基座,发射端与接收端精确对准才能进行充电,而且传输距离限制较为严苛。

    《三体》无线供电技术起步 无线充电解析 Qi无线充电板(图源:360图片)

        PMA无线充电标准是由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。推动PMA普及的是拉动战略,即通过企业支持制造消费者需求,星巴克在连锁店支持这种充电技术就是一个范例。

        PMA无线充电标准同样也采用了电磁感应技术,与Qi标准在技术方面的区别在于Qi使用的电磁波频率是100-205kHz,而PMA则使用频率为277-357kHz的电磁波。所以兼容PMA和Qi两种无线充电协议在原理上并不存在冲突。

        A4WP无线充电标准是由美国高通公司、韩国三星公司以及Powermat公司共同创建的无线充电联盟创建。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。A4WP无线充电标准采用磁场共振充原理,所以采用此标准的无线充电装置可以拥有较为宽松的距离限制,并且可以实现一对多充电。

        AirFuel Alliance则是PMA与A4WP融合后的产物。美国媒体称,A4WP和PMA两大阵营宣布,将相互兼容对方的无线充电技术标准,并且基于两大标准的无线充电设备,均可兼容对方标准的手机。

        WPC也并没有止步不前,WPC与PowerbyProxi、德州仪器签订了协议,预备建立属于自己的磁共振充电解决方案,同时也吸引了包括Verizon Wireless、高通这样的企业加入。

        对于普通消费者的我们来说,无线充电的标准当然是越统一越好,这样市面上的无线充电设备才能大规模的相互通用,带来的便利也更加显而易见。

    无线充电技术或引发新一轮技术革命 未来进入无线化时代

        当下电池技术的停滞不前,智能设备新功能新硬件的加入对电量的要求又不断提高,这便是近几年快速充电技术发展的推动力之一。显然,随着技术壁垒不断突破,手机无线充电功能将是手机产业发展的绝佳爆点之一。同时,由于现阶段存在诸如传输距离短、相对位置要求严苛的短板,手机无线充电仍有较为广阔的发展前景。可以肯定的是,一旦无线充电技术得以完备,手机无线充电功能就会大面积普及。

        有消息称,苹果已经与Energous公司进行合作,共同开发了一种新型的无线充电技术WattUp(但供应商目前似乎尚未解决机身过热问题,供应商目前仍在研发防止过热的技术),WattUp没有使用传统的感应充电线圈,而是通过安装在主设备印刷电路板上的微型天线来传输电能,在4.5米距离内都可以进行无线充电。Energous公司此前已经成功演示了自家WattUp系统的远距离充电功能,而该公司的合作伙伴称苹果会将该系统加入到iPhone 8中。

        如果WattUp无线充电技术能够得到推广,那么手机行业的无线充电现状将得以改变,手机无线充电不必再局限于特定的位置与距离,而且可以实现一个电源发射端对多台手机的充电,如果电源发射端大面积铺设,用户不管是在咖啡厅、办公室还是在地铁、火车上,都可以让手机随时保持充足的电能。

        无线充电大面积普及带来的另一个好处就是新的硬件装置和智能功能不会因为电池续航而有所妥协。比如越来越丰富的人工智能、显示效果越来越优秀的屏幕、AR技术的广泛应用等,在未来的智能手机系统中必将成为耗电大户,而在理想状态下随时随地的无线充电完全可以满足这些用电需求,这就是无线充电功能或成为手机行业最佳爆发点的根本原因。当然无线充电的普及还会惠及诸多用电设备,省去了为诸如智能手表、智能眼镜这些微型用电装置反复充电的麻烦。

        当然无线充电最直观的好处就是无线化。当下的电话和移动上网都已经实现无线化,但电力传输仍未摆脱线路输送。一旦数据线忘带,或者手里的数据线接口与手机不匹配,当下不仅仅作为通讯工具的手机电量不足将会成为一件十分麻烦的事情。同样,电力传输无线化将会给用电的各个方面都带来极大便利,复杂的线路问题将彻底得以解决。

        一旦现存的技术问题得以解决,那么无线充电功能将会给手机行业乃至整个用电工具行业带来天翻地覆的发展,人类社会将催生出下一场技术革命,无线化时代随即到来。

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