无线充电技术应该会肉眼可见的速度逐渐普及

中科院长春光机所 发表于 2018-05-25 16:09:15 收藏 已收藏
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无线充电技术应该会肉眼可见的速度逐渐普及

中科院长春光机所 发表于 2018-05-25 16:09:15

虽然几年前市面上就已经出现了支持无线充电的手机,但真正使用的频次并不多,小编的无线充电板买来新鲜,但没用几次也默默丢在角落吃灰。而自从去年苹果家发布了支持无线充电的手机之后,无线充电技术应该会肉眼可见的速度逐渐普及,一些厂商更是看到老大哥苹果用了无线充电之后也就疯狂开始跟进。那么就趁着它家可以同时给好几个设备充电的AirPower无线充电枕还没正式上市,来补一波知识吧!

无线充电的概念起源很早,最早可以追溯至19世纪末期。由于电能的产生地与使用地往往存在很大的距离差异,而有线的输配电系统还没有建立起来,早期的科学家希望能够无线地把电能传输到使用地,于是就有了无线电能传输的需求。不少科学家在这个领域做了研究,但早期对无线电能传输的应用尝试基本都失败了。进入新世纪之后,无线充电技术又重新被关注起来了。而近代无线充电技术的兴起,有下面几个先决条件:

1.电网系统的完善。在世界的大多数国家,电网作为基础设施,经过几十或者上百年的发展,都已经比较完善。人们可以较为方便地从电网得到电能的供应。电能已经不再如百年前一样稀缺。基本上有人的地方就有电能的供应。也就是说跨区域的长距离无线电能传输的需求大范围内消亡了。

2.电源技术得到了快速的发展。电力电子作为一个专门的学科出现大致始于上个世纪60年代。伴随着航空技术的发展,受到太空竞赛的刺激,航天电源的需求增加,因而电源技术也得到了发展和完善。经过几十年的发展,开关电源理论以及半导体器件的制作工艺均得到了很大的发展。现阶段人们可以更为容易地实现高频开关电源,实现更好的功率密度和更高的电源效率。

3.区域内无线充电需求的提高。随着移动互联网技术的发展,各种智能终端设备越来越普遍。在中国2014年的智能手机出货量达到了惊人的4亿部。而人们在要求智能设备更快的上网速度,更快的运算速度,更清晰的显示效果的同时,各种智能设备的电能需求也在不断的提高。受限制于电池技术,智能设备的续航时间成为困扰用户的最大问题。在功能机时代,常见手机的使用时间可以轻松达到一个星期。而进入智能机时代,虽然电池的容量增大了3倍以上,智能手机的续航则下降到了一天左右。因此无线充电作为一种简易可行的智能设备充电方式受到了越来越多的关注。

无线充电技术(wireless charging technology),源于无线电力输送技术。无线充电,又称作感应充电、非接触式感应充电,是利用近场感应,也就是电感耦合,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以电感耦合传送能量,两者之间不用电线连接,因此充电器及用电的装置都可以做到无导电接点外露。目前实现无线电力传输主要有以下四种原理:

电磁感应

给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。此原理与电力系统中常用的变压器原理类似,在变压器的原边(初级线圈)通入交变电流,副边(次级线圈)会由于电磁感应原理感应出电动势,若副边电路连通,即可出现感应电流,这样就可以实现电能从发射线圈到接收线圈的无线传输。

谐振

这种无线输电方式与无线通信原理类似,其发送端谐振回路的电磁波全方位开放式弥漫于整个空间,在接收端回路谐振在该特定的频率上,从而实现能量的传递。这种输电方式在接收端输出功率比较小时可以得到较高的传输效率。但其存在电磁辐射,传输功率越大,距离越远,效率越低,辐射就越严重。

磁耦合共振

这种方式可以看作是谐振式的加强版,需要发射和接收两个共振系统,可分别由感应线圈制成。通过调整发射频率使发射端以某一频率振动,其产生的不是弥漫于各处的普通电磁波,而是一种非辐射磁场,即把电能转换成磁场,在两个线圈间形成一种能量通道。接收端的固有频率与发射端频率相同,因而发生了共振。随着每一次共振,接收端感应器中会有更多的电压产生。经过产生多次共振,感应器表面就会集聚足够的能量,这样接收端在此非辐射磁场中接收能量,从而完成了磁能到电能的转换,实现了电能的无线传输。

无线电波

我们都知道电磁波可以用来传递信息,那么理论上,只要频率够高,也可以传输能量。这种无线充电方式或许才是最接近人们想象中无线充电的样子,在电源处安置一个电磁波发生器,再通过发射天线将能量传输至接收天线,再将电磁波信号重新转成电能供设备使用。可这种电力传输方式也有着明显的弱点,比如电磁波受干扰大、传输效能低、对人体有辐射等。

了解过无线充电原理,我们回到手机。目前无线充电主要有 3 种标准:Qi 标准、PMA 标准以及 A4WP 标准。

其中 Qi 是通过电磁感应技术来实现无线充电。而PMA 和 A4MP 合并后成为新 AirFuel 联盟,利用的是磁共振技术。另外两种技术:无线电波技术和电场耦合技术,因为应用不多,这里暂不讨论。

目前绝大多数支持无线充电的手机都是 Qi 标准,理论上只要手机支持 Qi 标准,就能够兼容所有支持 Qi 标准的无线充电板。

无线充电虽然给了我们美好的体验期待,但是缺点也十分明显:充电速度慢、传输距离有限制。

目前市面上大多数无线充电器的功率在10W左右,加上到手机端充电功率的损耗(转换效率约70%),而且随着充电间的增加,充电器发热功率还会降低。脑补一下手机充满电要几个小时,你我的内心都应该是拒绝的吧。

现阶段 Qi 无线充电的另一大问题就是:最大的充电距离仅有10毫米。也就是说,充电时厚一点的手机壳想都不要想了。

不过相信不久的将来这些问题都能够被很好地解决,真正意义上实现高速而随意的无线充电,让手机不再受束缚。

资料来源:知乎用户@微鹅-余峰、@怪兽充电

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