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一文读懂无线充电:它是怎样工作的?有哪些技术标准?

[日期:2017-11-02] 来源:computerworld  作者:腾讯数码(佳和) [字体: ]

      早在19世纪末,无线充电技术就已经出现了,当时电子学先驱尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)展示磁共振耦合技术,它在两个电路(也就是发射器与接收器)之间创造一个磁场,从空中传输电力。

 

一文读懂无线充电:它是怎样工作的?有哪些技术标准?

 

 

然而在过去大约100年的时间里,这种技术并不怎么实用,只有少量电动牙刷使用。

到了今天,使用的无线充电技术大约有5-6种,它们的目标是一样的:剔除线缆,让智能手机、笔记本、厨房电器、汽车都用无线技术充电。

无线充电技术正在向医疗保健、汽车、制造业渗透,因为它能增强移动性,让小型物联网设备远程接收电力,与充电器相隔几英尺也能充电。

看看目前最流行的无线充电技术,它依赖电磁场,也就是两个铜线圈之间的电磁场,这种技术有着严格的距离限制,设备与充电器之间的距离不能太远。苹果在iPhone 8和iPhone X手机上植入的无线充电技术与此类似。

 

无线充电如何工作的

 

IHS Markit研究主管大卫·格林(David Green)解释说,大体来讲,目前的无线充电技术有三种。一种是充电垫,它用到了紧密耦合电磁感应技术或者短程充电技术。一种是充电碗或者穿透表面的充电器,用到了松耦合电磁谐振充电技术,可以相隔几厘米传输电力。还有一种是解耦合RF无线充电技术,充电距离比较远。

 

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不论是紧密耦合电磁感应还是松耦合电磁谐振充电,二者遵循的物理原理是一样的:都有一个根据时间变化的磁场,感应电流在密闭的线圈内流动。

它们是这样工作的:磁回路天线(铜线圈)创造一个振荡磁场,它在一根或者多根接收器天线上生成电流。如果加入合适的电容,回路就可以用同样的频率共振,接收器中的感生电流也会增加。谐振感应充电和磁谐振充电就是这样实现的,该技术有一个优点:发射器与接收器的电力传输距离可以拉长,提升效率。线圈的尺寸也会影响电力传输的距离。线圈越大,或者线圈数量越多,传输的距离越远。

以智能手机无线充电垫为例,铜线圈的直径只有几英寸,电力高效传输的距离受到严重限制。

当线圈增大,就可以用无线方式传输更多的电力。WiTrICity公司就是这样做的,它向众多行业(比如汽车、风力涡轮、机器人)授权松耦合谐振技术。

2007年MIT物理学教授Marin Solja?i?证明他可以让电力传输2米远,当时如果按这样的距离传输,效率只有40%,也就是60%的电力会在传输过程中损失掉。2007年年末,Marin Solja?i?成立了WiTricity公司,目标是将技术商用,自此之后电力传输效率持续提升。

在WiTricity汽车充电系统中,大型铜线圈(接收器线圈直径约为25厘米)可以延长传输距离,让电力在最远25厘米的距离高效传输。WiTricity CTO莫里斯·科斯勒(Morris Kesler)说,因为用到了谐振技术,传输的电力更多(最高11千瓦),效率也更高(端到端效率高于92%)。WiTricity将电容器放进感应回路,这样就可以捕捉更多的电力,给电池充电。

除了用在汽车上,技术还可以用在其它地方。去年,日本机器人制造商Daihen Corp开始提供无线电力传输系统,它就是用WiTricity技术开发的,系统主要给无人引导车(automatic guided vehicles)使用。AGV安装Daihen D-Broad无线充电系统之后,我们只要将车辆拖到充电区就会充电,然后就可以在仓库工作了。

 

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远距离充电仍然挑战重重,正因如此,公众看到的无线充电设备主要还是充电垫。

格林说:“自2015年以来,充电垫已经大规模出货;充电碗/穿透表面的充电器今年才推出;如果想横跨房间充电,技术大规模商用至少还要1年时间——Energous展示过新产品,证明这种方法是可行的,只是目前的传输距离很短,只有几厘米。”

2016年出货的无线充电设备超过2亿台,几乎所有设备都采用感应(充电垫)设计。

9月份,苹果终于接受无线充电技术,比其它手机制造商落后一步,苹果引入了WPC Qi技术,三星及其它Android智能手机商已经使用这种技术至少2年了。

第一批移动设备无线充电器大约6年之前推出,使用紧密耦合或者感应充电技术,用户必须将智能手机放在充电垫的某个位置,否则无法充电。

Navigant Research分析师本杰明·弗里亚斯(Benjamin Freas)说:“在我看来,要将设备与充电垫对齐充电,过程并不比直接插线省太多事。”弗里亚斯说,虽然早期接受者、技术爱好者购买感应充电器,其它人却没有兴趣。

2012年9月,诺基亚920手机推出,它是第一款植入无线充电技术的商用手机,诺基亚用的是Qi技术。

 

无线充电标准大战

 

在过去几年里,有三个无线充电标准组织竞争,它们关注感应和谐振充电技术。三个组织分别是A4WP(Alliance for Wireless Power)、PMA(Power Matters Alliance)和WPC(Wireless Power Consortium)。WPC有296个成员,包括苹果、谷歌、Verizon。

WPC搭建了最流行的无线充电标准Qi,它支持感应充电、充电垫充电、短距离(1.5厘米甚至更近的距离)电磁谐振感应充电。苹果用的就是Qi标准。

 

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PMA开发了Powermat谐振充电技术,它最开始时将技术用在咖啡店和机场内,取得一些成功。例如,星巴克2014年开始部署无线充电垫。

标准彼此竞争,移动设备市场很分散,大多移动设备需要一种适应性更强的无线充电标准。

2015年,A4WP和PMA联合,成立AirFuel Alliance,现在联盟有110个成员,包括戴尔、Duracell、三星和高通。

Duracell Powermat是AirFuel Alliance的一部分,它说自己在美国已经拥有1500多个充电点,通过Powermat的合作伙伴PowerKiss提供服务。PowerKiss在欧洲机场、酒店、咖啡店设有1000个充电点。AirFuel还说,一些麦当劳餐馆也使用自己的无线充电技术。

 

AirFuel关注电磁谐振和RF技术

 

AirFuel关注两种充电技术:一种是电磁谐振技术,一种是RF技术,你可以在空间内移动,移动时可以给设备充电。

AirFuel新闻发言人桑托斯克(Sharen Santoski)说:“市场告诉我们谐振与RF才是未来发展方向。这两种技术在空间自由度方面有优势,而且容易使用容易安装,这些优势相当重要,它可以创造市场价值,提高客户满意度。我们认为,如果想在短期之内在公共基础设施广泛部署无线充电服务,谐振是最好的选择。”

桑托斯克说,越来越多的咖啡店、餐馆、机场已经引进谐振无线充电站。他还说中国投资很大,中国台湾也一样。

 

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AirFuel最近公布一个项目,在台湾桃园机场地铁(Taoyuan Airport Metro)提供无线充电服务,AirFuel将谐振充电技术带到了地铁和地铁站。家具制造商Order Furniture也设计一套谐振充电家具。

弗里亚斯说:“如果每一个餐馆和咖啡店都引入无线充电技术,大家就会更愿意使用它,就会买一个充电垫放在家里。”不过弗里亚斯还说,目前的大多项目都是试点项目,消费者和企业不太喜欢紧密耦合充电技术,而是喜欢松耦合谐振充电技术。为什么?因为使用松耦合技术时空间自由度更高,你只要将手机、平板、笔记本放在桌面就可以充电。

 

WiTricity与汽车无线充电

 

7月份,戴尔推出Latitude笔记本,这款笔记本用到了WiTricity谐振无线充电技术。戴尔无线充电器的充电功率最高30瓦,换言之,Latitude用无线充电器充电的速度跟线缆-插座充电是一样的。

WiTricity的关注焦点是汽车产业。它是AirFuel联盟的成员,按照WiTricity的估计,许多电动汽车制造商都会在汽车内植入无线充电技术。使用WiTricity电磁谐振技术,电力最多可以传输9英寸的距离。这样一来,我们只需要将汽车停在大型充电垫上就能充电。

例如,奔驰今年推出S550e插电式混合动力汽车,它用到了WiTricity技术,将S550e停在充电垫上,汽车就会充电,效率比插线还要高。

科斯勒说,电动汽车使用的技术是一种量身定制的电磁谐振技术。汽车不需要充电线,无线充电垫传输电力的效率比线缆还要高。如果是有线充电系统,要用电子设备将AC转化为DC,调节电流,导致效率下降到86%左右。科斯勒称:“如果使用我们的无线充电系统,端到端效率约为93%,所谓端到端就是从墙壁传到电池的效率。”

 

远距离无线充电

 

 

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本月,苹果收购PowerByProxi,行业吓了一跳。PowerByProxi是一家新西兰公司,它开发松耦合谐振充电技术,用的也是Qi标准。

PowerbyProxi是2007年成立的,创始人名叫法迪·米什瑞奇(Fady Mishriki)。PowerByProxi展示过充电盒、充电碗产品,可以同时给多款设备充电。PowerbyProxi开始向建筑、通信、国防、农业等行业销售大型系统。当中有一个无线控制系统专门给风力涡轮使用。

PowerByProxi是WPC Steering Committee的成员,它缩小技术,植入AA充电电池,不必将技术直接放进设备。无线充电技术占用的空间大约只有AA电池高度的10%。苹果可能会将PowerByProxi技术放进产品,扩大无线充电技术的应用范围,不只用在手机上,电视遥控器、计算机外设及任何使用电池的设备都能用。

就目前来说,无线充电技术主要用在移动设备充电垫上,不过技术正在向其它领域渗透,比如仓库机器人、小型物联网设备。

Ossia与Energous已经证明过,无线充电距离最远可以达到15英尺(约4.57米)。Ossia充电器可以将2瓦的电力传输最远7英尺(约2.13米),如果超过这一距离,效率就会迅速下降。Ossia CEO马里奥o奥贝达特(Mario Obeidat)说,即使距离达到30英尺(约9.14米),能够传输的电力也是很大的。

 

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奥贝达特还说:“每天我会在办公室呆8-10小时,可以充半瓦或者一瓦的电量,系统一直给我的设备充电。如果5小时就能给设备充满电,那就很好了,因为你一直呆在那里。”

VC公司Sorenson Capital的总经理罗勃·吕克特(Rob Rueckert)说:“我用过Ossia和Energous产品,技术很好。”吕克特相信,与充电垫甚至充电盒相比,远程充电更有魅力,因为充电垫充电盒要求移动设备与电源紧密连接。

Energous WattUp和Ossia Cota移动设备充电系统有点像无线路由器,它将RF信号发送出去,让穿戴和移动设备接收。电路板组成小型RF天线,ASIC与软件组成无线电力接收器。

Cota装有多天线管理芯片,芯片尺寸约为4x4毫米。Cota电力发射器可以装进形态多样的设备,比如吊顶板、桌子、玻璃、电视、汽车仪表板。

发射器自动侦测Cota设备,上面还有温度感知单元,可以防止过热。

奥贝达特解释说:“我们管它叫真正的无线电力。我们的技术与市场上的其它技术(比如Qi)有点不同,我们可以远程传输大量电力。如果是其它技术,你要将设备放在充电垫上。正因如此,充电时你不能使用设备。”奥贝达特还说Cota技术可以穿透墙壁,就像Wi-Fi路由器一样。奥贝达特补充道:“我们的技术强调不可知论。未来,你可以将发射器放在房间内,同时给手机、平板、智能手表充电。”

 

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Ossia还想将技术植入零售货架商品的电子标签,这样一来标签就可以将产品信息告诉购物者,不需要员工放置物理标签,也不需要更换价格标签。

有些人可能会嘲笑,说这样的技术只能传输几瓦的电力,尽管如此,投资者却很重视。例如,加州Energous 2014年上市,融资2500万美元。Energous开发的WattUp充电器用蓝牙无线通信技术充电。和Ossia Cota一样,WattUp传输的电力很有限。正因如此,Energous的目标是为移动设备提供电力,而不是笔记本、更高容量的电池。

 

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Energous解释说,一个WattUp发射器最多可以给24台设备充电,充电还是不充电用软件控制。如果用最大功率充电(4瓦),可以同时给4台设备充电,不能再多了。

远距离充电有一个潜在障碍:不论是Ossia还是Energous技术,都不能给Qi兼容设备充电,因为技术却是专用的。

 

一切刚刚开始

 

格林相信,Qi和Powermat提供一个很好的起点,但它们并不是完整的无线技术。他说:“Qi是无线充电的起点,教育消费者,告诉他们有何可能,这件事很重要。”

从Qi充电垫开始,用户可以提前享受无线充电技术,很快,他们就会需要更灵活、更强大的解决方案,也就是远程充电,使用时更有弹性,可以一边使用设备一边充电。

格林说:“有一件事再清楚不过:2017年,我们还没有看到有哪一款设备可以在整个房间内提供全速无线充电服务。充电有两个极端可以选择:一是放在充电垫上充电,速度与线缆充电差不多,二是慢速充电,但是可以延长距离。”


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