關(guān)于無線充電各種原理方案,你了解嗎?
你知道無線充電各種原理方案嗎?有哪些技術(shù)瓶頸?無線充電,由供電設(shè)備(充電器)將能量傳送至用電的裝置,該裝置使用接收到的能量對電池充電,并同時供其本身運作之用。由于充電器與用電裝置之間不用電線連接,因此充電器及用電的裝置都可以做到無導(dǎo)電接點外露,也徹底擺脫了因充電物理接口不一致帶來的煩惱。
無線充電也稱為無線電力傳輸(WPT),在一些消費級可穿戴產(chǎn)品中可謂是風(fēng)靡一時,比如智能手機(jī)、智能手表和健康手環(huán)等,但是這個創(chuàng)意本身已經(jīng)存在一個多世紀(jì)的時間了。
無線充電技術(shù)的發(fā)展可以分為4個階段:
· 1890年,物理學(xué)家兼電氣工程師尼古拉·特斯拉就已經(jīng)做了無線輸電實驗,實現(xiàn)了交流發(fā)電
· 2007年,麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊完成了可以實現(xiàn)最遠(yuǎn)傳輸距離達(dá)到2.7m的實驗
· 2014年,戴爾加入A4WP陣營,代表著筆記本電腦的無線充電時代來臨
· 2017年,iphone加入無線充電大家庭,手機(jī)端的無線時代正式來臨
2017年9月蘋果發(fā)布會上提出The future is wireless
我們通常認(rèn)為電和磁是相關(guān)聯(lián)的,所以在論及無線充電的原理問題上,大多還是基于電磁感應(yīng)現(xiàn)象或者由此而衍生出來的。目前,實現(xiàn)無線電力傳輸主要有以下四種方式:
電磁感應(yīng)方式
簡單地講,電磁感應(yīng)方式即利用電流通過線圈產(chǎn)生磁場從而實現(xiàn)近場無線供電。展開來說,電磁感應(yīng)充電的設(shè)備,類似于變壓器,在發(fā)送端(供電端)和接收端(受電端)各有一個線圈,發(fā)送端線圈連接有線電源產(chǎn)生磁場,接收端線圈感應(yīng)發(fā)送端的磁場從而產(chǎn)生電流給用電設(shè)備。
在所有的無線充電產(chǎn)品中,基于電磁感應(yīng)方式的最多,既有日用小家電比如電動牙刷、電動剃須刀、無繩電話,也包括智能終端如手機(jī),PAD等?;陔姶鸥袘?yīng)方式的無線充電技術(shù)主要挑戰(zhàn)來自于充電設(shè)備擺放位置的苛刻要求、充電距離的局限性以及線圈感應(yīng)產(chǎn)生的熱。
磁共振方式
磁共振式也稱為諧振式,由能量發(fā)送裝置,和能量接收裝置組成,當(dāng)兩個裝置調(diào)整到相同頻率,或者說在一個特定的頻率上共振,它們就可以交換彼此的能量,其原理與聲音的共振原理相同,排列在磁場中的相同振動頻率的線圈,可從一個向另一個供電。
相比于電磁感應(yīng)方式,其垂直距離得到了極大提高,而且也不需要嚴(yán)格對準(zhǔn);這些優(yōu)勢激起了廣大公司的研發(fā)興趣,該技術(shù)被認(rèn)為是將來最有希望廣泛應(yīng)用于電動汽車無線充電的一種方式。目前,磁共振方式的無線充電面臨最大的挑戰(zhàn)就是產(chǎn)品的商業(yè)化。
電波方式
基于電波方式的無線充電技術(shù),類似于早期使用的礦石收音機(jī),主要有微波發(fā)射裝置和微波接收裝置組成,可以捕捉到從墻壁彈回的無線電波能量,在隨負(fù)載作出調(diào)整的同時保持穩(wěn)定的直流電壓。此種方式只需一個安裝在墻身插頭的發(fā)送器,以及可以安裝在任何低電壓產(chǎn)品的“蚊型”接收器。這種方式給無線充電帶來了極大的自由度與便捷性。
電場耦合方式
電場耦合又稱靜電耦合或電容耦合,是由于分布電容的存在而產(chǎn)生的一種耦合方式。耦合是指信號由第一級向第二級傳遞的過程,是一種交流耦合。電場耦合包括信號或能量在電路的不同結(jié)點之間通過電容進(jìn)行的傳遞。
電場耦合在能量方面的應(yīng)用,就是無線充電原理的本質(zhì)。在電場耦合的無線充電模式中,充電座和待充電電器不是通過高頻磁場來進(jìn)行磁場的感應(yīng),而是直接通過兩者之間形成的電容中的高頻電場,這種充電方式具有成本低,對準(zhǔn)要求低的優(yōu)點。
電場耦合方式的構(gòu)造簡單,只要是在供電臺規(guī)定的充電區(qū)域內(nèi),無論將產(chǎn)品放在什么位置都可供電,可實現(xiàn)“位置自由(Free Positioning)”的供電。另外,由于可將電極減薄,因此具有容易嵌入產(chǎn)品等其他方式所沒有的特點。
無線充電各種原理方案的比較
無線充電技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)
實際上,目前的無線充電技術(shù)還不算成熟,不僅技術(shù)發(fā)展緩慢,標(biāo)準(zhǔn)也尚未統(tǒng)一。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)。不同標(biāo)準(zhǔn)的充電設(shè)備的不能互充。下面我們就針對這三種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行簡單介紹。
PMA標(biāo)準(zhǔn)
PMA標(biāo)準(zhǔn),即Power Matters Alliance,是由Duracell Powermat公司發(fā)起的。PMA采用基于電磁感應(yīng)方式的無線充電技術(shù),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。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)。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)。
Qi標(biāo)準(zhǔn)
Qi標(biāo)準(zhǔn)無線充電聯(lián)盟發(fā)起的,無線充電聯(lián)盟(Wireless Power ConsorTIum, WPC)是全球首個推動無線充電技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化組織。Qi采用了基于電磁感應(yīng)方式的無線充電技術(shù)。
Qi聯(lián)盟成員數(shù)量最多,包括TI、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。不同品牌的產(chǎn)品,只要有一個Qi的標(biāo)識,都可以用Qi無線充電器充電 —— 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。
A4WP標(biāo)準(zhǔn)
A4WP標(biāo)準(zhǔn),即Alliance for Wireless Power標(biāo)準(zhǔn),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。A4WP聯(lián)盟還包括Ever Win Industries、Gill Industries、Peiker AcusTIc和SK Telecom等成員。
A4WP采用了基于磁共振方式的無線充電技術(shù),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。
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(AFA)。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。
各無線充電標(biāo)準(zhǔn)比較
無線充電市場不僅僅局限于手機(jī)
2012年諾基亞發(fā)布了第一個支持無線充電的手機(jī)Lumia810,從2015年開始,各消費電子巨頭紛紛推出具有無線充電功能的產(chǎn)品:蘋果推出apple watch、三星推出gear watch、S6/S6edge、S7/S7edge等。崇尚自由無束縛是人類的天性,現(xiàn)階段人們已經(jīng)解決了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線化,供電的那根線也一直成為人們攻克的那個目標(biāo),無線充電正好提供了一個契機(jī)。手機(jī)終端的無線充電其實只是行業(yè)前菜。
預(yù)計到2024年,支持無線充電的智能手機(jī)每年出貨量將超過12億臺。全球無線充電市場在2016年的市場規(guī)模約34億美元,預(yù)計到2022年會增長至140億美元,年均增長率達(dá)27%。
隨著物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴和便攜式設(shè)備的發(fā)展,消費者開始厭倦雜亂的電纜和需要頻繁充電的電池。人們對無線世界的向往,將會導(dǎo)致無線充電市場出現(xiàn)急劇增長。除運用于手機(jī)之外,無線充電技術(shù)還將用于智能手表、平板電腦等諸多消費電子終端產(chǎn)品,市場空間均可達(dá)數(shù)十億元規(guī)模,潛力巨大。
無線充電在某些特定的地點也可以充分發(fā)揮了它的優(yōu)勢,比如物流行業(yè)。現(xiàn)階段阿里菜鳥、京東物流甚至美團(tuán)都已經(jīng)宣布了他的無人化戰(zhàn)略,推廣自動物流、自動配送。無線通信已經(jīng)可以完成對數(shù)據(jù)的無人化采集,但是供電這塊還是一個痛點,如果在倉庫里面我們還要通過人力或者其他方式給機(jī)器人進(jìn)行排隊充電,這個是非常不方便的。
那如果帶上無線充電,在固定行徑的路線或者固定停留的站點,使用無線充電,將充電和供電結(jié)合在一起,將人力徹底解放出來,進(jìn)行機(jī)器自我管理,將極大方便倉儲成本,降低倉儲費用。
除消費電子之外,新能源汽車是無線充電應(yīng)用的另一廣闊市場。無線充電安全性高、受天氣影響小、節(jié)省道路空間,因此和充電樁相比更適宜運用于電動汽車;同時充電站、充電樁等設(shè)備的建設(shè)速度也難以跟上電動汽車增長速度,成為制約電動汽車發(fā)展瓶頸,因此無線充電將對電動汽車推廣起到重要促進(jìn)作用。
無線充電的技術(shù)瓶頸
無線充電技術(shù)在全球范圍內(nèi)尚未能形成一個通用的標(biāo)準(zhǔn),不同運營商的終端供電參數(shù)不同,造成無線充電技術(shù)只能在局部地區(qū)、部分產(chǎn)品中應(yīng)用。不同無線充電標(biāo)準(zhǔn)帶來的不兼容性,是其發(fā)展的一個主要障礙。各標(biāo)準(zhǔn)成員經(jīng)過多年的混戰(zhàn),目前也趨向融合。
PMA聯(lián)盟的發(fā)起者Powermatt也是A4W聯(lián)盟P的發(fā)起者之一;A4WP聯(lián)盟發(fā)起成員高通、三星已經(jīng)加入與之對立的Qi無線電源聯(lián)盟;TI同時使Qi與A4WP聯(lián)盟的成員 —— 相信不久的未來,充電標(biāo)準(zhǔn)走向統(tǒng)一是必然的趨勢。
既然無線充電技術(shù)早已有之,除了缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)外,為什么直到今天還沒有廣泛應(yīng)用到日常生活中?因為在當(dāng)前科學(xué)技術(shù)條件下,還有許多難題需要解決。
1.充電距離短:無線充電的發(fā)送裝置和接收裝置相隔不能太遠(yuǎn),在1~2米的距離內(nèi)還能起到較為滿意的效果,但一旦距離拉長,能量的衰減將十分嚴(yán)重。
2.電能轉(zhuǎn)換功率低:無線充電能量的損耗較大,傳輸效率不高,極易造成電能的浪費。無線充電器的轉(zhuǎn)化率目前最高只能達(dá)到85%,而且隨著距離的增大,損耗將更大。
3.易遭干擾:傳輸電能的無線電波易遭干擾,電磁共振技術(shù)也容易出現(xiàn)干擾和互擾,不僅寄生電容和外部磁場,甚至連接受設(shè)備都能干擾到充電磁場,從而影響充電效率。
4.有輻射:雖然有關(guān)專家認(rèn)為電磁輻射對健康不構(gòu)成威脅,但是電磁波對人體的影響很復(fù)雜,需要長期的數(shù)據(jù)積累,這個過程就好比人們花了幾十年時間才確認(rèn)二手煙會致癌一樣。
此外,無線充電由于技術(shù)含量高,經(jīng)濟(jì)成本投入較大,造價遠(yuǎn)高于目前廣泛使用的有線充電和萬能充電器,所以,無線充電技術(shù)要想“飛入尋常百姓家”還需要很長的路要走。以上就是無線充電各種原理方案解析,希望能給大家?guī)椭?