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揭秘无线充电技术:如何摆脱线的束缚

Wireless Charging Technology: How to Get Rid of The Shackles of The Wire?

作者:欧宝体育-app应用首页  来源:转载  浏览:278  发布时间:2020-03-17

无线充电,由供电设备(充电器)将能量传送至用电的装置,该装置使用接收到的能量对电池充电,并同时供其本身运作之用。由于充电器与用电装置之间不用电线连接,因此充电器及用电的装置都可以做到无导电接点外露,也彻底摆脱了因充电物理接口不一致带来的烦恼。

无线充电也称为无线电力传输 (WPT) ,在一些消费级可穿戴产品中可谓是风靡一时,比如智能手机、智能手表和健康手环等,但是这个创意本身已经存在一个多世纪的时间了。

无线充电技术的发展可以分为 4 个阶段:

· 1890 年,物理学家兼电气工程师尼古拉·特斯拉就已经做了无线输电实验,实现了交流发电

· 2007 年,麻省理工学院的研究团队完成了可以实现最远传输距离达到2.7m的实验

· 2014 年,戴尔加入 A4WP 阵营,代表着笔记本电脑的无线充电时代来临

· 2017 年,iphone 加入无线充电大家庭,手机端的无线时代正式来临



2017年9月苹果发布会上提出 The future is wireless

我们通常认为电和磁是相关联的,所以在论及无线充电的原理问题上,大多还是基于电磁感应现象或者由此而衍生出来的。目前,实现无线电力传输主要有以下四种方式:

电磁感应方式

简单地讲,电磁感应方式即利用电流通过线圈产生磁场从而实现近场无线供电。展开来说,电磁感应充电的设备,类似于变压器,在发送端(供电端)和接收端(受电端)各有一个线圈,发送端线圈连接有线电源产生磁场,接收端线圈感应发送端的磁场从而产生电流给用电设备。

在所有的无线充电产品中,基于电磁感应方式的最多,既有日用小家电比如电动牙刷、电动剃须刀、无绳电话,也包括智能终端如手机, PAD 等。基于电磁感应方式的无线充电技术主要挑战来自于充电设备摆放位置的苛刻要求、充电距离的局限性以及线圈感应产生的热。

磁共振方式

磁共振式也称为谐振式,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,其原理与声音的共振原理相同,排列在磁场中的相同振动频率的线圈,可从一个向另一个供电。

相比于电磁感应方式,其垂直距离得到了极大提高,而且也不需要严格对准;这些优势激起了广大公司的研发兴趣,该技术被认为是将来最有希望广泛应用于电动汽车无线充电的一种方式。目前,磁共振方式的无线充电面临最大的挑战就是产品的商业化。

电波方式

基于电波方式的无线充电技术,类似于早期使用的矿石收音机,主要有微波发射装置和微波接收装置组成,可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量,在随负载作出调整的同时保持稳定的直流电压。此种方式只需一个安装在墙身插头的发送器,以及可以安装在任何低电压产品的"蚊型"接收器。这种方式给无线充电带来了极大的自由度与便捷性。

电场耦合方式

电场耦合又称静电耦合或电容耦合,是由于分布电容的存在而产生的一种耦合方式。耦合是指信号由第一级向第二级传递的过程,是一种交流耦合。电场耦合包括信号或能量在电路的不同结点之间通过电容进行的传递。

电场耦合在能量方面的应用,就是无线充电原理的本质。在电场耦合的无线充电模式中,充电座和待充电电器不是通过高频磁场来进行磁场的感应,而是直接通过两者之间形成的电容中的高频电场,这种充电方式具有成本低,对准要求低的优点。

电场耦合方式的构造简单,只要是在供电台规定的充电区域内,无论将产品放在什么位置都可供电,可实现"位置自由 (Free Positioning"的供电。另外,由于可将电极减薄,因此具有容易嵌入产品等其他方式所没有的特点。

无线充电技术的标准

实际上,目前的无线充电技术还不算成熟,不仅技术发展缓慢,标准也尚未统一。目前主流的无线充电标准有三种: Power Matters AlliancePMA) 标准、 Qi 标准、 Alliance for Wireless PowerA4WP) 标准。不同标准的充电设备的不能互充。下面我们就针对这三种标准进行简单介绍。

PMA 标准

PMA 标准,即 Power Matters Alliance,是由 Duracell Powermat 公司发起的。PMA 采用基于电磁感应方式的无线充电技术,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。除此以外, Powermat 还是 Alliance for Wireless PowerA4WP) 标准的支持成员之一。

目前已经有 AT&TGoogle 和星巴克三家公司加盟了 PMA 联盟 (Power Matters Alliance 缩写)。目前 Duracell Powerma t公司推出过一款 WiCC 充电卡采用的就是 Power Matters Alliance 标准。

Qi 标准

Qi 标准无线充电联盟发起的,无线充电联盟 (Wireless Power Consortium, WPC) 是全球首个推动无线充电技术的标准化组织。Qi 采用了基于电磁感应方式的无线充电技术。

Qi 联盟成员数量最多,包括 TI 、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。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 —— 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。

A4WP 标准

A4WP 标准,即 Alliance for Wireless Power 标准,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。A4WP 联盟还包括 Ever Win Industries Gill IndustriesPeiker Acustic SK Telecom 等成员。

A4WP 采用了基于磁共振方式的无线充电技术,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 电磁感应技术有所区别,这两种技术各有千秋。

Alliance for Wireless Power(A4WP) 和 Power Matters AlliancePMA)两大无线充电技术联盟现已合并。合并后的联盟更名为 AirFuel AllianceAFA) 。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 Q i无线充电标准相竞争。

无线充电市场不仅仅局限于手机

2012 年诺基亚发布了第一个支持无线充电的手机 Lumia810,从 2015 年开始,各消费电子巨头纷纷推出具有无线充电功能的产品:苹果推出 apple watch 、三星推出 gear watch S6/S6edge S7/S7edge 等。崇尚自由无束缚是人类的天性,现阶段人们已经解决了数据传输的无线化,供电的那根线也一直成为人们攻克的那个目标,无线充电正好提供了一个契机。手机终端的无线充电其实只是行业前菜。

预计到2024年,支持无线充电的智能手机每年出货量将超过12亿台。全球无线充电市场在2016年的市场规模约34亿美元,预计到2022年会增长至140亿美元,年均增长率达27%

随着物联网、可穿戴和便携式设备的发展,消费者开始厌倦杂乱的电缆和需要频繁充电的电池。人们对无线世界的向往,将会导致无线充电市场出现急剧增长。除运用于手机之外,无线充电技术还将用于智能手表、平板电脑等诸多消费电子终端产品,市场空间均可达数十亿元规模,潜力巨大。

无线充电在某些特定的地点也可以充分发挥了它的优势,比如物流行业。现阶段阿里菜鸟、京东物流甚至美团都已经宣布了他的无人化战略,推广自动物流、自动配送。无线通信已经可以完成对数据的无人化采集,但是供电这块还是一个痛点,如果在仓库里面我们还要通过人力或者其他方式给机器人进行排队充电,这个是非常不方便的。

那如果带上无线充电,在固定行径的路线或者固定停留的站点,使用无线充电,将充电和供电结合在一起,将人力彻底解放出来,进行机器自我管理,将极大方便仓储成本,降低仓储费用。

除消费电子之外,新能源汽车是无线充电应用的另一广阔市场。无线充电安全性高、受天气影响小、节省道路空间,因此和充电桩相比更适宜运用于电动汽车;同时充电站、充电桩等设备的建设速度也难以跟上电动汽车增长速度,成为制约电动汽车发展瓶颈,因此无线充电将对电动汽车推广起到重要促进作用。

无线充电的技术瓶颈

无线充电技术在全球范围内尚未能形成一个通用的标准,不同运营商的终端供电参数不同,造成无线充电技术只能在局部地区、部分产品中应用。不同无线充电标准带来的不兼容性,是其发展的一个主要障碍。各标准成员经过多年的混战,目前也趋向融合。

PMA 联盟的发起者Powermatt 也是 A4W 联盟 P 的发起者之一;A4WP联盟发起成员高通、三星已经加入与之对立的 Qi 无线电源联盟;TI 同时使 Qi A4WP 联盟的成员 —— 相信不久的未来,充电标准走向统一是必然的趋势。

既然无线充电技术早已有之,除了缺乏统一标准外,为什么直到今天还没有广泛应用到日常生活中?因为在当前科学技术条件下,还有许多难题需要解决。

1. 充电距离短:无线充电的发送装置和接收装置相隔不能太远,在 12 米的距离内还能起到较为满意的效果,但一旦距离拉长,能量的衰减将十分严重。

2. 电能转换功率低:无线充电能量的损耗较大,传输效率不高,极易造成电能的浪费。无线充电器的转化率目前最高只能达到 85% ,而且随着距离的增大,损耗将更大。

3. 易遭干扰:传输电能的无线电波易遭干扰,电磁共振技术也容易出现干扰和互扰,不仅寄生电容和外部磁场,甚至连接受设备都能干扰到充电磁场,从而影响充电效率。

4. 有辐射:虽然有关专家认为电磁辐射对健康不构成威胁,但是电磁波对人体的影响很复杂,需要长期的数据积累,这个过程就好比人们花了几十年时间才确认二手烟会致癌一样。

此外,无线充电由于技术含量高,经济成本投入较大,造价远高于目前广泛使用的有线充电和万能充电器,所以,无线充电技术要想“飞入寻常百姓家”还需要很长的路要走。

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