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[導(dǎo)讀]引言:在日前電子工程專輯的讀者見面會上,一家本土公司的技術(shù)總監(jiān)對本刊表示,“國際上的主流的無線充電研究,都是在向著大功率和遠(yuǎn)距離的方向發(fā)展,也許 20年后會取得巨大的成功。但是我的著眼點是如何可以利用這個

引言:在日前電子工程專輯的讀者見面會上,一家本土公司的技術(shù)總監(jiān)對本刊表示,“國際上的主流的無線充電研究,都是在向著大功率和遠(yuǎn)距離的方向發(fā)展,也許 20年后會取得巨大的成功。但是我的著眼點是如何可以利用這個技術(shù)去減少一次性電池的使用量,減少充電器的種類和數(shù)量。方向稍有不同。但我堅信我的方向短期內(nèi)就能造福人類。”他認(rèn)為,目前這些國際大廠在無線充電領(lǐng)域的發(fā)展方向是錯誤的。那么該公司的無線充電技術(shù)思路又是如何?
我們生活在一個由線纜環(huán)繞的世界,但是這太麻煩了,不但影響美觀而且不環(huán)保。布線需要使用大量的銅、塑料以及人力等資源,同時你在進行家居裝修或建筑設(shè)計的時候總是要給線纜預(yù)留位置。因此,我們一直在尋找一種有效的、安全的、可以無線傳輸供電的設(shè)備,其中誕生的一個副產(chǎn)品就是微波爐。
無線充電技術(shù)在消費類市場表現(xiàn)出巨大的潛力。在不使用連線的情況下給電子設(shè)備充電不但可為便攜式設(shè)備用戶提供一種便利的解決方案,而且還讓廣大設(shè)計人員能夠?qū)ふ业礁邉?chuàng)新性的問題解決方法。許多電池供電型便攜式設(shè)備均能受益于這種技術(shù),從手機到電動汽車不一而足。
科學(xué)家和工程師們在近兩個世紀(jì)前就已經(jīng)知道,傳遞電力并不需要電線始終保持物理接觸。電動機和電力變壓器中含有線圈,這些線圈可以通過電磁感應(yīng)現(xiàn)象相互傳輸能量。發(fā)射線圈中的電流可以通過電磁感應(yīng)使另一個接收線圈產(chǎn)生電流;兩個線圈離得很近,但并沒有發(fā)生接觸。但是科學(xué)家也發(fā)現(xiàn)無線電波中帶有電磁輻射,但是通過傳統(tǒng)的電磁輻射把能量從一個點轉(zhuǎn)移到另一個點的效率是非常低的,因為電磁波通常會向四周擴散,大部分能量都會在傳播過程中丟失。此外,這種做法也很危險,尤其是當(dāng)電磁輻射的量級超出人體可以承受的范圍。
無線供電技術(shù)現(xiàn)狀
從目前來看,電力無線傳輸技術(shù)主要有三種:電磁感應(yīng)型(利用電流通過線圈產(chǎn)生磁力實現(xiàn)近程無線供電)、電波接受型(電力轉(zhuǎn)換成電波近程無線供電)、磁場共鳴型(利用磁場等共鳴效應(yīng)近程無線供電),以上幾種技術(shù)的發(fā)展方向始終集中在對電力發(fā)送裝置和接受裝置的改進上。電波接受型技術(shù)的方向主要在于如何提高電流的Q值以及保持傳輸效率,這對于低功率的消費電子產(chǎn)品來說意義不大,相對來書磁共振和電磁感應(yīng)技術(shù)更有商用推廣的價值。
美國麻省理工學(xué)院(MIT)于2007年6月、美國英特爾公司于2008年8月分別發(fā)表了使用磁場耦合共鳴的技術(shù),使用該技術(shù)有望給行駛中的汽車進行充電,盡管其傳輸效率只有40%左右?;诖艌鲴詈瞎缠Q技術(shù),日本索尼公司開發(fā)了延長無線傳輸距離的技術(shù)“Repeater Device”,使用該技術(shù)可以不用電源線向遠(yuǎn)至50cm的電視機傳輸60W電力。相關(guān)的技術(shù)也被中國的海爾在2010年美國舉行的CES展上展示其“無尾電視”。
電感耦合是另一種高效和通用的無線充電方式,主要是分別在供電部分和接收部分設(shè)置電極,利用電極間產(chǎn)生的電場來供電的方式。由于在電極之間會產(chǎn)生電容耦合效應(yīng),因此電場耦合方式也被稱為電容耦合方式。在去年深圳舉行的高交會電子展上,村田就展出了一款支持移動設(shè)備充電的電場耦合式無線電力傳輸模塊,通過內(nèi)置入移動設(shè)備的RFIC以及植入充電模塊的充電板,就可以實現(xiàn)“無線充電”功能。
新型共鳴方式的非接觸充電也已亮相。這就是竹中工務(wù)店正在開發(fā)的、使用電場耦合共鳴的技術(shù)。該技術(shù)雖然需要使送電端與受電端緊貼,但卻支持水平方向的錯位,不會象目前已實用化的、由線圈向線圈供電的電磁感應(yīng)式非接觸充電技術(shù)那樣,在異物侵入時會出現(xiàn)發(fā)熱、電磁波及高頻波等問題。而且,與電磁感應(yīng)方式不同,共鳴方式不使用鐵氧體及利茲線圈,因此可降低產(chǎn)品的重量及成本。
此外,索尼發(fā)布的卡片相機TX300V/TX200V,夏普發(fā)布的SH-13C手機,均采用無線充電功能,其中SH-13C透過無線充電,將手機搭配的 1230mAh電池充滿約需2至2.5個小時。美國高通(Qualcomm)則開發(fā)出一款采用磁共振方式進行無線供電的“eZone”,可以為搭配充電臺座的“iPhone”充電。據(jù)測試,如果為1000mAh容量的電池充電,2小時內(nèi)便可充滿。
除了這些國際廠商,在國內(nèi)相關(guān)的產(chǎn)品也不少。打開淘寶,搜索“無線充電器”,可以看到上百種針對iPhone的無線充電板或手機套,價格從100多元到 900多元不等。這種產(chǎn)品(類似產(chǎn)品如“點金石”)一般分為兩個部分:一部分為充電板,另一部分為與手機連接的電源接收器,其實現(xiàn)原理依然是電磁感應(yīng),不過毛病也有不少。這些淘寶產(chǎn)品一方面存在發(fā)熱量大和電磁輻射的問題;另一方面沒有對于錯誤充電的ID認(rèn)證方法,容易釀成危險,同時在充電時也無法進行上網(wǎng)等數(shù)據(jù)傳輸。此外,針對不同的電池,充電的要求也不盡相同。
WPC標(biāo)準(zhǔn)的建立
為了解決以上的難題,專門針對于無線電源的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)組織——無線充電聯(lián)盟(WPC)成立了。該組織成立于2008年,由亞洲、歐洲和美國的各行業(yè)公司組成,其中包括電子設(shè)備制造廠商和原始設(shè)備制造商(OEM)。WPC標(biāo)準(zhǔn)定義了電感耦合(線圈結(jié)構(gòu))的類型,以及低功耗無線設(shè)備所用的通信協(xié)議。在這種標(biāo)準(zhǔn)下工作的任何設(shè)備都可以與任何其他WPC兼容設(shè)備配對。獲得WPC聯(lián)盟的認(rèn)證的產(chǎn)品,將被標(biāo)識“Qi”字樣的LOGO,具有“Qi”的終端,可以在所有標(biāo)有該LOGO的充電板上充電。并且,獲得Qi標(biāo)識后,不用向WPC聯(lián)盟付費。
這種方法的一個重要的好處是其利用這些線圈來實現(xiàn)電力發(fā)送器和電力接收器之間的通信。WPC標(biāo)準(zhǔn)定義了系統(tǒng)的三個主要方面——提供電力的電力發(fā)送器、使用電力的電力接收器以及這兩種設(shè)備之間的通信協(xié)議。在WPC標(biāo)準(zhǔn)下,無線傳輸?shù)摹肮摹痹O(shè)定為5W以下,達到這一標(biāo)準(zhǔn)范圍的系統(tǒng)在兩個平面線圈之間使用電感耦合來將電力從電力發(fā)送器傳輸給電力接收器。兩個線圈之間的距離一般為5mm。
除此之外,WPC還定義了電力發(fā)射與接收之間的通信協(xié)議,包括模擬和數(shù)字聲脈沖(pinging);身份識別和配置以及電力傳輸。電力接收器可以根據(jù)對充電設(shè)備身份的識別決定“終止充電”或進入低功耗狀態(tài)。
無線充電技術(shù)的新方向
“國際上的主流的無線充電研究,都是在向著大功率和遠(yuǎn)距離的方向發(fā)展,也許20年后會取得巨大的成功。但是我的著眼點是如何可以利用這個技術(shù)去減少一次性電池的使用量,減少充電器的種類和數(shù)量。方向稍有不同。但我堅信我的方向短期內(nèi)就能造福人類。”深圳市威特爾科技有限公司技術(shù)總監(jiān)趙志斌認(rèn)為,目前這些國際大廠在無線充電領(lǐng)域的發(fā)展方向是錯誤的。他的想法是針對手機等產(chǎn)品,要直接把無線充電做進電池,成本要降低到5塊甚至2塊。他的最終目標(biāo)是把小功率、微功率的無線充電的應(yīng)用范圍極大的擴展:從手機的電池、MP4、MP3,一直到手電、小臺燈、狗牌、無線鼠標(biāo)、兒童玩具、遙控器這些目前還在使用一次性電池的領(lǐng)域里,用無線充電加二次電池的方法,減少一次電池用量。他總結(jié)了目前市面上主流的幾種產(chǎn)品,認(rèn)為目前這些產(chǎn)品在發(fā)熱量、產(chǎn)品厚度、所占體積方面都仍然不理想,無法大量的推廣使用。[!--empirenews.page--]
“目前把無線充電放進電池的,只有夏普,但是它的接收組件,占去了電池的40%的體積呀。也就是說電池的容量只有60%了。可是我們可以做到還有90%的容量,只占去電池的10%的體積,或者是更少。”趙志斌認(rèn)為,薄型化對于小功率無線充電的應(yīng)用范圍的影響非常大,只有把體積做到10%以內(nèi)才有意義。他同時表示,阻礙著無線充電技術(shù)應(yīng)用的最核心的技術(shù),不是電子技術(shù),恰好就是關(guān)于如何在電池旁邊可以放置接收線圈并有很薄的厚度的實現(xiàn)方法?!霸谶@個領(lǐng)域上,我們公司無疑走在了世界的前列,可以較好的解決有效隔離磁場和減少屏蔽物質(zhì)厚度之間的矛盾?!?BR>由于電池實際上就是一團金屬,發(fā)射線圈產(chǎn)生的交變磁場會使得電池中的金屬產(chǎn)生渦流,轉(zhuǎn)化為熱量,同時產(chǎn)生反向的磁場,抵消掉發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場強度,使得接收線圈接收電壓下降。為了降低電池中的渦流,就必須在接收線圈和電池之間放置一些阻隔磁場的東西,這種東西通常被稱作“磁屏蔽物質(zhì)”。趙志斌表示,目前國際上針對該種物質(zhì)的研究,主要集中在強磁場的50赫茲的環(huán)境,又或者是弱電磁場的兆赫到吉赫頻段的環(huán)境,針對無線充電使用的強電磁場100千赫茲上下的研究幾乎為空白。
“實際上如果真的有非常的厚度要求的話,可以做到比0.5更薄。因為我們開發(fā)出來的屏蔽膜很薄。只有0.1毫米厚,效果比兩毫米厚的鐵氧體還要好。功率損耗比鐵氧體也要低的多。這個領(lǐng)域我們是走在世界的最前列的?!壁w志斌表示,目前他們已開發(fā)出0.1毫米厚的屏蔽膜,此前這一領(lǐng)域最領(lǐng)先的廠商為日本的 TDK,同時其磁性線圈也號稱可以達到業(yè)界最薄。
但在具體的推廣中,趙志斌也遇到了一些困難,主要是目前除了WPC之外,沒有針對他的產(chǎn)品的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),因為他的設(shè)想是不符合WPC標(biāo)準(zhǔn)的。他希望能自己成立一個小功率無線充電聯(lián)盟(WMPTC),并且針對國內(nèi)廠商進行推廣。同時如果要將無線充電裝置做到電池內(nèi),還要降低成本,就必須以芯片的形式來做。
目前只有德州儀器(TI)在WPC的標(biāo)準(zhǔn)下開發(fā)了無線充電接收芯片bq51013,但是價格仍然比較昂貴,同時輻射屏蔽方面也存在問題?!拔覀兊慕邮招酒龀鰜砗螅瑒t不會存在這些問題,同時價格也會非常便宜。”趙志斌認(rèn)為,要實現(xiàn)無線充電的意義,一定要實現(xiàn)通用化。否則意義并不大。通用化以后,可以大幅度滴減少充電器數(shù)量,減少廢棄充電器數(shù)量。此外,用無線充電技術(shù)加二次電池去替代一次性干電池,更可以大幅度減少廢棄干電池數(shù)量。
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