無線充電，國際廠商摸錯(cuò)門？

引言：在日前電子工程專輯的讀者見面會(huì)上，一家本土公司的技術(shù)總監(jiān)對(duì)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(huì)取得巨大的成功。但是我的著眼點(diǎn)是如何可以利用這個(gè)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(jiān)信我的方向短期內(nèi)就能造福人類?！彼J(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(cuò)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(gè)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(shí)你在進(jìn)行家居裝修或建筑設(shè)計(jì)的時(shí)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(gè)副產(chǎn)品就是微波爐。
無線充電技術(shù)在消費(fèi)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(jì)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(jī)到電動(dòng)汽車不一而足。
科學(xué)家和工程師們?cè)诮鼉蓚€(gè)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(dòng)機(jī)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(gè)接收線圈產(chǎn)生電流;兩個(gè)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(gè)點(diǎn)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)點(diǎn)的效率是非常低的，因?yàn)殡姶挪ㄍǔ?huì)向四周擴(kuò)散，大部分能量都會(huì)在傳播過程中丟失。此外，這種做法也很危險(xiǎn)，尤其是當(dāng)電磁輻射的量級(jí)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(shí)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(duì)電力發(fā)送裝置和接受裝置的改進(jìn)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(duì)于低功率的消費(fèi)電子產(chǎn)品來說意義不大，相對(duì)來書磁共振和電磁感應(yīng)技術(shù)更有商用推廣的價(jià)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(jìn)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(jī)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(huì)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(huì)電子展上，村田就展出了一款支持移動(dòng)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(dòng)設(shè)備的RFIC以及植入充電模塊的充電板，就可以實(shí)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(cuò)位，不會(huì)象目前已實(shí)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(shí)會(huì)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(jī)TX300V/TX200V，夏普發(fā)布的SH-13C手機(jī)，均采用無線充電功能，其中SH-13C透過無線充電，將手機(jī)搭配的 1230mAh電池充滿約需2至2.5個(gè)小時(shí)。美國高通(Qualcomm)則開發(fā)出一款采用磁共振方式進(jìn)行無線供電的“eZone”，可以為搭配充電臺(tái)座的“iPhone”充電。據(jù)測試，如果為1000mAh容量的電池充電，2小時(shí)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(duì)iPhone的無線充電板或手機(jī)套，價(jià)格從100多元到 900多元不等。這種產(chǎn)品(類似產(chǎn)品如“點(diǎn)金石”)一般分為兩個(gè)部分：一部分為充電板，另一部分為與手機(jī)連接的電源接收器，其實(shí)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(duì)于錯(cuò)誤充電的ID認(rèn)證方法，容易釀成危險(xiǎn)，同時(shí)在充電時(shí)也無法進(jìn)行上網(wǎng)等數(shù)據(jù)傳輸。此外，針對(duì)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(duì)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(duì)。獲得WPC聯(lián)盟的認(rèn)證的產(chǎn)品，將被標(biāo)識(shí)“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(shí)后，不用向WPC聯(lián)盟付費(fèi)。
這種方法的一個(gè)重要的好處是其利用這些線圈來實(shí)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(gè)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(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)范圍的系統(tǒng)在兩個(gè)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(gè)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(shí)別和配置以及電力傳輸。電力接收器可以根據(jù)對(duì)充電設(shè)備身份的識(shí)別決定“終止充電”或進(jìn)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(huì)取得巨大的成功。但是我的著眼點(diǎn)是如何可以利用這個(gè)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(jiān)信我的方向短期內(nèi)就能造福人類?！鄙钲谑型貭柨萍加邢薰炯夹g(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(cuò)誤的。他的想法是針對(duì)手機(jī)等產(chǎn)品，要直接把無線充電做進(jìn)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(kuò)展：從手機(jī)的電池、MP4、MP3，一直到手電、小臺(tái)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(jìn)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?？墒俏覀兛梢宰龅竭€有90%的容量，只占去電池的10%的體積，或者是更少?！壁w志斌認(rèn)為，薄型化對(duì)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(shí)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(shí)現(xiàn)方法。“在這個(gè)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(shí)際上就是一團(tuán)金屬，發(fā)射線圈產(chǎn)生的交變磁場會(huì)使得電池中的金屬產(chǎn)生渦流，轉(zhuǎn)化為熱量，同時(shí)產(chǎn)生反向的磁場，抵消掉發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場強(qiáng)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(duì)該種物質(zhì)的研究，主要集中在強(qiáng)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(duì)無線充電使用的強(qiáng)電磁場100千赫茲上下的研究幾乎為空白。
“實(shí)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?yàn)槲覀冮_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(gè)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(shí)其磁性線圈也號(hào)稱可以達(dá)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(duì)他的產(chǎn)品的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樗脑O(shè)想是不符合WPC標(biāo)準(zhǔn)的。他希望能自己成立一個(gè)小功率無線充電聯(lián)盟(WMPTC)，并且針對(duì)國內(nèi)廠商進(jìn)行推廣。同時(shí)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(jià)格仍然比較昂貴，同時(shí)輻射屏蔽方面也存在問題?！拔覀兊慕邮招酒龀鰜砗?，則不會(huì)存在這些問題，同時(shí)價(jià)格也會(huì)非常便宜?！壁w志斌認(rèn)為，要實(shí)現(xiàn)無線充電的意義，一定要實(shí)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?cái)?shù)量。