| 不久前三星Galaxy S8發(fā)布，其亮點(diǎn)功能之一便是無線充電。同時(shí)蘋果已在Apple Watch上成功試水，使用了無線充電技術(shù)，據(jù)說，未來的ihone 8極有可能支持無線充電技術(shù)。
一般來說，人們每次要幫手機(jī)、電腦，或者其他各種電器充電時(shí)，總是要接一條充電線，充電線一多，還常常接錯(cuò)，實(shí)在非常麻煩。
而使用“無線充電”的技術(shù)，只要優(yōu)雅的將手機(jī)放在一個(gè)小小的、像杯墊一樣的東西上面，不必接線就能輕松充電，這么厲害的科技背后到底有著怎樣的秘密呢？且聽小編慢慢道來。
電與磁的作用和原理
在探索無線充電技術(shù)原理之前，我們必須先來了解一下“電流磁效應(yīng)”和“電磁感應(yīng)”。
1819 年，丹麥科學(xué)家厄斯特觀察到一段導(dǎo)線上如果通有電流，四周將會產(chǎn)生磁場，可以讓指北針偏轉(zhuǎn)。后人則進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，將導(dǎo)線圍成環(huán)狀，甚至繞成線圈，產(chǎn)生的磁場將會更強(qiáng)、更集中，這稱為“電流磁效應(yīng)”。
1831 年法拉第發(fā)現(xiàn)，讓一塊磁鐵或其他的磁場來源靠近一段沒有電流的線圈，線圈上就會產(chǎn)生“感應(yīng)電流”，稱為“電磁感應(yīng)”。
值得注意的是，電磁感應(yīng)的成立條件是磁場要有“變化”，如磁鐵越來越近或越來越遠(yuǎn)。外加磁場若是一直保持不變，是不會有感應(yīng)電流的。
這兩種物理現(xiàn)象同時(shí)運(yùn)用，就可以進(jìn)行無線充電。目前的無線充電設(shè)備，都包含一個(gè)“充電座”，里面其實(shí)正是線圈。將充電座接到家用插頭后，線圈周圍會因?yàn)殡娏鞔判?yīng)而產(chǎn)生磁場。
要充電的電子產(chǎn)品，里面也都有一個(gè)線圈，當(dāng)它靠近充電座時(shí)，充電座的磁場將通過電磁感應(yīng)，在電子產(chǎn)品的線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流導(dǎo)引到電池，就完成了充電座和電子產(chǎn)品間的無線充電。
人們可能會問，磁場不是要改變才能有電磁感應(yīng)嗎？可是充電座與充電的對象距離卻始終保持不變，這樣為何會有電磁感應(yīng)呢？
原來，家用插座中流出的電是“交流電”，也就是說電流的方向不斷的交替變化，一會兒順著流，一會兒反著流。正因?yàn)槿绱�，充電座線圈產(chǎn)生的磁場隨之不斷在變換方向，并非保持不變，符合電磁感應(yīng)的條件。
但是不幸的是，智能手機(jī)或平板電腦在充電的時(shí)候，只要離充電座的距離稍遠(yuǎn)一些，充電效率就會明顯下降。即便是最新的技術(shù)，充電距離也不能超過 5 公分。
事實(shí)上，目前絕大部分可以無線充電的移動設(shè)備，都是要完全平放在充電座上才能進(jìn)行，和想像中隨走隨充的無線充電仍有點(diǎn)差別。
為了增加無線充電的距離與充電效率，科學(xué)家正在設(shè)法利用“磁共振”的原理進(jìn)行無線充電。在電路中加入一些電容、電感等特殊的元件，適當(dāng)連接后，會形成“諧振電路”。
諧振電路可以共振，兩個(gè)振動頻率相同的諧振電路放在一起，其中一個(gè)開始因?yàn)橥姸鹗帟r(shí)，另一個(gè)電路也會跟著震蕩起來，“自動”產(chǎn)生電流，電能就這樣被隔空傳送了。
這樣的現(xiàn)象稱為“磁共振”，用來進(jìn)行無線充電，可以讓充電距離達(dá)到數(shù)米，效率也有所提升。唯一的困難就是，要將兩個(gè)電路調(diào)整到一模一樣的頻率，并且維持一段時(shí)間。
除了磁共振之外，也有科學(xué)家嘗試用雷射光的光能來充電，甚至是將電能通過和家用的 Wifi 網(wǎng)路相近的電波頻段來傳送。
無線充電技術(shù)的主要種類
現(xiàn)階段，無線充電存在四種不同的方式：電磁感應(yīng)方式、電磁共振方式、電場耦合方式、無線電波方式。
其中用在手機(jī)無線充電的技術(shù)主要是電磁感應(yīng)技術(shù)和電磁共振技術(shù)，當(dāng)然，無線充電一旦突破技術(shù)壁壘，在以后的家電，以及發(fā)展勢頭正猛的電動汽車上同樣具有非常廣闊的前景。
電磁感應(yīng)方式
我們今天見到的各類無線充電技術(shù)，大多是采用電磁感應(yīng)技術(shù)，我們可以將這項(xiàng)技術(shù)看作是分離式的變壓器。
我們知道，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的變壓器由一個(gè)磁芯和二個(gè)線圈(初級線圈、次級線圈)組成；當(dāng)初級線圈兩端加上一個(gè)交變電壓時(shí)，磁芯中就會產(chǎn)生一個(gè)交變磁場，從而在次級線圈上感應(yīng)一個(gè)相同頻率的交流電壓，電能就從輸入電路傳輸至輸出電路。
如果將發(fā)射端的線圈和接收端的線圈放在兩個(gè)分離的設(shè)備中，當(dāng)電能輸入到發(fā)射端線圈時(shí)，就會產(chǎn)生一個(gè)磁場，磁場感應(yīng)到接收端的線圈、就產(chǎn)生了電流，這樣我們就構(gòu)建了一套無線電能傳輸系統(tǒng)。
這套系統(tǒng)的主要缺陷在于，磁場隨著距離的增加快速減弱，一般只能在數(shù)毫米至10厘米的范圍內(nèi)工作，加上能量是朝著四面八方發(fā)散式的，因此感應(yīng)電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輸入電流，能源效率并不高。但對于近距離接觸的物體這就不存在問題了。
最早利用這一原理的無線充電產(chǎn)品是電動牙刷——電動牙刷由于經(jīng)常接觸到水，所以采用無接點(diǎn)充電方式，可使得充電接觸點(diǎn)不暴露在外，增強(qiáng)了產(chǎn)品的防水性，也可以整體水洗。
在充電插座和牙刷中各有一個(gè)線圈，當(dāng)牙刷放在充電座上時(shí)就有磁耦合作用，利用電磁感應(yīng)的原理來傳送電力，感應(yīng)電壓經(jīng)過整流后就可對牙刷內(nèi)部的充電電池充電。
電磁感應(yīng)方式的特點(diǎn)是傳輸距離短、使用位置相對固定，但是能量效率較高、技術(shù)簡單，很適合作為無線充電技術(shù)使用。
電磁共振方式
與電磁感應(yīng)方式相比，電磁共振技術(shù)在距離上就有了一定的寬容度，它可以支持?jǐn)?shù)厘米至數(shù)米的無線充電，使用上更加靈活。
電磁共振同樣要使用兩個(gè)規(guī)格完全匹配的線圈，一個(gè)線圈通電后產(chǎn)生磁場，另一個(gè)線圈因此共振、產(chǎn)生的電流就可以點(diǎn)亮燈泡或者給設(shè)備充電。
除了距離較遠(yuǎn)外，電磁共振方式還可以同時(shí)對多個(gè)設(shè)備進(jìn)行充電，并且對設(shè)備的位置并沒有嚴(yán)格的限制，使用靈活度在各項(xiàng)技術(shù)中居于榜首。
在傳輸效率方面，電磁共振方式可以達(dá)到40%～60%，雖然相對較低但也進(jìn)入商用化沒有任何問題。
電磁共振方式將電能以電磁波“射頻”或非輻射性諧振“磁共振”等形式傳輸，它具有較高的效率和非常好的靈活性，是目前業(yè)內(nèi)的開發(fā)重點(diǎn)。
電磁耦合方式
相對于傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)式，電場耦合方式有三大優(yōu)點(diǎn)：充電時(shí)設(shè)備的位置具備一定的自由度；電極可以做得很薄、更易于嵌入；電極的溫度不會顯著上升，對嵌入也相當(dāng)有利。
首先在位置方面，雖然它的距離無法像磁共振那樣能達(dá)到數(shù)米的長度，但在水平方向上也同樣自由，用戶將終端隨意放在充電臺上就能夠正常充電。
我們可以看到電場耦合與電磁感應(yīng)的對比結(jié)果，電極或線圈間的錯(cuò)位用dz/D（中心點(diǎn)距離/直徑）參數(shù)來表示，當(dāng)該參數(shù)為0時(shí)，表示兩者完全重合，此時(shí)能效處于最高狀態(tài)。
當(dāng)該參數(shù)為1時(shí)，表示兩者完全不重合。我們可以看到，此時(shí)電場耦合方式只是降低了20%的能量輸入，設(shè)備依然是可以正常充電，而電磁感應(yīng)式稍有錯(cuò)誤、能量效率就快速下降，錯(cuò)位超過0.5時(shí)就完全無法正常工作，因此，電磁感應(yīng)式總是需要非常精確的位置匹配。
電場耦合方式的第二個(gè)特點(diǎn)是電極可以做到非常薄，比如它可以使用厚度僅有5微米的銅箔或者鋁箔，此外對材料的形狀、材料也都不要求，透明電極、薄膜電極都可以使用，除了四方形外，也可以做成其他任何非常規(guī)的形狀。
這些特性決定了電場耦合技術(shù)可以被很容易地整合到薄型要求高的智能手機(jī)產(chǎn)品中，這也是該技術(shù)相對于其他方案最顯著的優(yōu)點(diǎn)。顯而易見，若采用電場耦合技術(shù)，智能手機(jī)廠商在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)就有很寬松的自由度，不會在充電模塊設(shè)計(jì)上遭受制肘。
第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是電極部分的溫度并不會上升——困擾無線充電技術(shù)的一個(gè)難題就是充電時(shí)溫度較高，會導(dǎo)致接近電極或線圈的電池組受熱劣化，進(jìn)而影響電池的壽命。
電場耦合方式則不存在這種困擾，電極部分的溫度并不會上升，因此在內(nèi)部設(shè)計(jì)方面不必太刻意。電極部分不發(fā)熱主要得益于提高電壓，如在充電時(shí)將電壓提升到1.5kv左右，此時(shí)流過電極的電流強(qiáng)度只有區(qū)區(qū)數(shù)毫安，電極的發(fā)熱量就可以控制得很理想。
不過美中不足的是，送電模塊和受電模塊的電源電路仍然會產(chǎn)生一定的熱量，一般會導(dǎo)致內(nèi)部溫度提升10～20℃左右，但電路系統(tǒng)可以被配置在較遠(yuǎn)的位置上，以避免對內(nèi)部電池產(chǎn)生影響。
電場耦合方式具有體積小、發(fā)熱低和高效率的優(yōu)勢，缺點(diǎn)在于開發(fā)和支持者較少，不利于普及。
微波諧振方式
英特爾公司是微波諧振方式的擁護(hù)者，這項(xiàng)技術(shù)采用微波作為能量的傳遞信號，接收方接受到能量波以后，再經(jīng)過共振電路和整流電路將其還原為設(shè)備可用的直流電。
這種方式就相當(dāng)于我們常用的Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)，發(fā)收雙方都各自擁有一個(gè)專門的天線，所不同的是，這一次傳遞的不是信號而是電能量。
微波的頻率在300MHz～300GHz之間，波長則在毫米-分米-米級別，微波傳輸能量的能力非常強(qiáng)大，我們家庭中的微波爐即是用到它的熱效應(yīng)，而英特爾的微波無線充電技術(shù)，則是將微波能量轉(zhuǎn)換回電信號。
微波諧振方式的缺點(diǎn)相當(dāng)明顯，就是能量是四面八方發(fā)散的，導(dǎo)致其能量利用效率低得出奇，如英特爾的這套方案，供應(yīng)電力低至1瓦以下，乍一看起來實(shí)用性相當(dāng)有限。而它的優(yōu)點(diǎn)，則是位置高度靈活，只要將設(shè)備放在充電設(shè)備附近即可，對位置的要求很低，是最符合自然的一種充電方式。
我們可以看到，當(dāng)設(shè)備收發(fā)雙方完全重合時(shí)，電磁感應(yīng)和微波諧振方式的能量效率都達(dá)到峰值，但電磁感應(yīng)明顯優(yōu)勝。不過隨著X-Y方向發(fā)生位移，電磁感應(yīng)方式出現(xiàn)快速的衰減，而微波諧振則要平緩得多，即便位移較大也具有相當(dāng)?shù)目捎眯浴?nbsp;
盡管能量和效率處于較低的水平上，乍看實(shí)用價(jià)值較為有限，但作為PC業(yè)的巨頭，英特爾具有化腐朽為神奇的本領(lǐng)，而它的做法也相當(dāng)巧妙：英特爾將超極本設(shè)計(jì)為無線充電的發(fā)送端，手機(jī)作為接收端，這樣只要手機(jī)放在超極本旁邊，就能夠在不知不覺中、連續(xù)不斷地充電——相信在上班時(shí)，大多數(shù)用戶都有將手機(jī)放在桌面上的習(xí)慣，此時(shí)充電工作就可以在后臺開始了。
即便英特爾所用的微波諧振方式只能充入很低的電量，但在長時(shí)間的充電下，智能手機(jī)產(chǎn)品的電力幾乎將永不衰竭，至少從用戶角度上看是這樣，因?yàn)橹灰麛y帶著筆記本電腦、就根本不再需要關(guān)注充電問題。
無線微波方式雖然能效很低，但使用最為方便。
其他無線充電新技術(shù)介紹
超聲波無線充電
一家名叫uBeam的公司發(fā)明了一種全新的無線充電模式，可以利用超聲波將電力隔空輸送到約5米外的地方。有了這樣的產(chǎn)品，只要使用專用的無線充電套，你就可以在充電的同時(shí)拿著手機(jī)在屋里走動。
uBeam的原型產(chǎn)品還比較笨重，但該公司正在努力縮小體積，盡快推向市場。據(jù)悉，已經(jīng)有多家公司希望與uBeam達(dá)成戰(zhàn)略合作，為顧客提供這種無線隔空充電服務(wù)，以便吸引更大客流，包括星巴克、維珍航空、喜達(dá)屋酒店以及多家快餐連鎖。除此之外，uBeam還與蘋果和三星等硬件廠商展開了溝通。
有很多公司都嘗試過真正的無線充電，但多數(shù)都以失敗告終，最終只實(shí)現(xiàn)了磁共振充電。這種模式必須將設(shè)備靠近發(fā)射器，甚至直接與發(fā)射器接觸，所以并沒有較插電式充電實(shí)現(xiàn)重大突破。然而， uBeam的無線充電模式可能具備巨大潛力。
具體而言，uBeam使用的是超聲傳導(dǎo)技術(shù)，發(fā)射器通過插座或建筑物的電力系統(tǒng)取電，然后將其轉(zhuǎn)換成超聲波，再將震動發(fā)射到內(nèi)置接收器的設(shè)備——例如配備無線充電套的手機(jī)，接收器之后負(fù)責(zé)將超聲波震動轉(zhuǎn)換成電力，為移動設(shè)備充電。uBeam表示，這種模式的充電速度與直接使用傳統(tǒng)電源類似。
這種超聲波隔空充電方式有幾大優(yōu)勢。首先，這種技術(shù)非常安全，它使用的超聲波與監(jiān)測胎兒時(shí)使用的超聲波類似。另外，接收器的價(jià)格也很便宜，大約只需50美元，甚至更低，而且體積小巧。不僅如此，這些超聲波還可以用于傳輸數(shù)據(jù)，可以在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)揮作用。
最吸引普通用戶的在于，該種技術(shù)的有效范圍大約5米，對移動中的設(shè)備同樣有效。雖然智能手機(jī)已經(jīng)在體積和性能上實(shí)現(xiàn)了重大進(jìn)步，但電池續(xù)航能 力仍未得到太大改觀，這不僅有損了用戶體驗(yàn)，還阻礙了整個(gè)移動經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此，uBeam的技術(shù)可能對整個(gè)行業(yè)形成促進(jìn)。
從長期來看，倘若uBeam的無線充電協(xié)議果真實(shí)現(xiàn)應(yīng)有的潛力，意味著電線將會逐漸消失。不僅是手機(jī)，其他各類用電設(shè)備也都將使用這種技術(shù)。
需要明確的是，uBeam仍在克服一些嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)，最終的產(chǎn)品可能無法在價(jià)格、功率、速度和安全方面達(dá)到預(yù)期。不過，倘若真能實(shí)現(xiàn)市場預(yù)期，便會成為一項(xiàng)革命性 的技術(shù)，這也正是人們夢寐以求的結(jié)果。
利用聚焦光線充電
如果你的智能手機(jī)在白天就出現(xiàn)了電量耗盡的情況，一般人們都會感到煩惱，大多數(shù)人的解決方法就是嘗試記住在晚上要為他們的設(shè)備充電。
即使是這樣 做，有時(shí)也不夠人們?nèi)粘Ｊ褂�，全天充電有時(shí)是很有必要的，為此微軟研究院已經(jīng)制定出了一個(gè)潛在的解決方案：AutoCharge。
微軟研究人員們描述AutoCharge是一種自動定位桌子上的智能手機(jī)，并為它們充電的技術(shù)。他們制造的原型充電器可以被安裝在天花板上，有兩個(gè)工作模塊：一個(gè)監(jiān)測模塊，其采用的是微軟的Kinect攝像頭，可以掃描像智能手機(jī)樣子的物體；另一個(gè)是充電模式，采用了UltraFire CREE XM-L T6來聚焦LED光線。
該AutoCharge系統(tǒng)采用了基于圖像處理來監(jiān)測和追蹤桌上的智能手機(jī)，并自動為智能手機(jī)充電。充電器會不斷地旋轉(zhuǎn)，直到它檢測到一個(gè)看起來像智能手機(jī)的物體，之后將使用太陽能發(fā)電技術(shù)所產(chǎn)生的光束為智能手機(jī)遠(yuǎn)程充電。換句話說，就是無需電線。
AutoCharge通過藍(lán)牙或手機(jī)上的LED和智能手機(jī)建立連接。這確保了當(dāng)電池充滿電以后可以停止充電，以及確保那些大小和形狀與智能手機(jī)類似的物體不能被充電。該系統(tǒng)在識別到有物體出現(xiàn)在了它和智能手機(jī)之間，對充電造成干擾時(shí)，還可以在50毫秒內(nèi)自動關(guān)閉。
無線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
目前主流的無線充電標(biāo)準(zhǔn)有三種：Power Matters Alliance（PMA）標(biāo)準(zhǔn)、Qi標(biāo)準(zhǔn)、Alliance for Wireless Power（A4WP）標(biāo)準(zhǔn)。
Power Matters Alliance標(biāo)準(zhǔn)
Power Matters Alliance標(biāo)準(zhǔn)是由Duracell Powermat公司發(fā)起的，而該公司則是由寶潔與無線充電技術(shù)公司Powermat合資經(jīng)營，擁有比較出色的綜合實(shí)力。除此以外，Powermat還是Alliance for Wireless Power（A4WP）標(biāo)準(zhǔn)的支持成員之一。
目前已經(jīng)有AT&T、Google和星巴克三家公司加盟了PMA聯(lián)盟（Power Matters Alliance縮寫）。PMA聯(lián)盟致力于為符合IEEE協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)的手機(jī)和電子設(shè)備，打造無線供電標(biāo)準(zhǔn)，在無線充電領(lǐng)域中具有領(lǐng)導(dǎo)地位。
目前Duracell Powermat公司推出過一款WiCC充電卡采用的就是Power Matters Alliance標(biāo)準(zhǔn)。WiCC比SD卡大一圈，內(nèi)部嵌入了用于電磁感應(yīng)式非接觸充電的線圈和電極等組件，卡片的厚度較薄，插入現(xiàn)有智能手機(jī)電池旁邊即可利用，利用該卡片可使很多便攜終端輕松支持非接觸充電。
Qi標(biāo)準(zhǔn)
Qi是全球首個(gè)推動無線充電技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化組織——無線充電聯(lián)盟（Wireless Power Consortium，簡稱WPC）推出的“無線充電”標(biāo)準(zhǔn)，具備便捷性和通用性兩大特征。
首先，不同品牌的產(chǎn)品，只要有一個(gè)Qi的標(biāo)識，都可以用Qi無線充電器充電。其次，它攻克了無線充電“通用性”的技術(shù)瓶頸，在不久的將來，手機(jī)、相機(jī)、電腦等產(chǎn)品都可以用Qi無線充電器充電，為無線充電的大規(guī)模應(yīng)用提供可能。
Qi采用了目前最為主流的電磁感應(yīng)技術(shù)。目前Qi在中國的應(yīng)用產(chǎn)品主要是手機(jī)，這是第一個(gè)階段，以后將發(fā)展運(yùn)用到不同類別或更高功率的數(shù)碼產(chǎn)品中。截至目前，聯(lián)盟成員數(shù)量已增加到74家，包括飛利浦、HTC、諾基亞、三星、索尼愛立信、百思買等知名企業(yè)都已是聯(lián)盟的成員。
A4WP標(biāo)準(zhǔn)
A4WP是Alliance for Wireless Power標(biāo)準(zhǔn)的簡稱，由美國高通公司、韓國三星公司以及前面提到的Powermat公司共同創(chuàng)建的無線充電聯(lián)盟創(chuàng)建。
該聯(lián)盟還包括Ever Win Industries、Gill Industries、Peiker Acustic和SK Telecom等成員，目標(biāo)是為包括便攜式電子產(chǎn)品和電動汽車等在內(nèi)的電子產(chǎn)品無線充電設(shè)備設(shè)立技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)對話機(jī)制。
該無線充電聯(lián)盟將重點(diǎn)引入“電磁諧振無線充電”技術(shù)，與Qi的“電磁感應(yīng)技術(shù)”有所區(qū)別，這兩種技術(shù)各有千秋。
前者傳輸效率可能較低，但可以實(shí)現(xiàn)稍遠(yuǎn)距離的無線充電。后者需要近距離接觸，例如將手機(jī)放在一個(gè)底座上，不用接線就可以通過感應(yīng)充電，但這樣充電效率較高。
A4WP標(biāo)準(zhǔn)組成聯(lián)盟希望讓無線充電迅速普及，讓用戶在任何地方都可進(jìn)行無線充電�；蛘哒f，A4WP想要讓無線充電便宜一些，并且在不增加手機(jī)、平板或者筆記本電腦體積的情況下增加充電接口，這意味著將有越來越多的制造商默認(rèn)選擇無線充電器。
注：Alliance for Wireless Power（A4WP）和Power Matters Alliance（PMA）兩大無線充電技術(shù)聯(lián)盟現(xiàn)已合并。合并后的聯(lián)盟更名為AirFuel Alliance。新名稱標(biāo)志著兩大集團(tuán)將努力攜手共進(jìn)，盡快將智能手機(jī)和平板電腦的無線充電解決方案標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一，共同與Wireless Power Consortium (WPC)的Qi無線充電標(biāo)準(zhǔn)相競爭。 |
