無線充電技術(shù)解析
2017-6-11 11:27:29??????點擊：
不久前三星Galaxy S8發(fā)布，其亮點功用之一便是無線充電。一同蘋果已在Apple Watch上成功試水，運用了無線充電技能，聽說，將來的ihone 8極有也許支撐無線充電技能。
通常來說，大家每次要幫手機、電腦，或許別的各種電器充電時，老是要接一條充電線，充電線一多，還常常接錯，真實十分費事。
而運用“無線充電”的技能，只需高雅的將手機放在一個小小的、像杯墊一樣的東西上面，不必接線就能輕松充電，這么兇猛的科技背面到底有著怎樣的隱秘呢？且聽小編漸漸道來。
電與磁的效果和原理
在探索無線充電技能原理之前，咱們有必要先來了解一下“電流磁效應(yīng)”和“電磁感應(yīng)”。
1819 年，丹麥科學(xué)家厄斯特觀察到一段導(dǎo)線上假如通有電流，鄰近將會發(fā)作磁場，能夠讓指北針偏轉(zhuǎn)。后人則進一步發(fā)現(xiàn)，將導(dǎo)線圍成環(huán)狀，乃至繞成線圈，發(fā)作的磁場將會更強、更會集，這稱為“電流磁效應(yīng)”。
1831 年法拉第發(fā)現(xiàn)，讓一塊磁鐵或別的的磁場來歷挨近一段沒有電流的線圈，線圈上就會發(fā)作“感應(yīng)電流”，稱為“電磁感應(yīng)”。
值得注意的是，電磁感應(yīng)的成立條件是磁場要有“改動”，如磁鐵越來越近或越來越遠。外加磁場假如一向堅持不變，是不會有感應(yīng)電流的。
這兩種物理景象一同運用，就能夠進行無線充電。如今的無線充電設(shè)備，都包含一個“充電座”，里邊本來恰是線圈。將充電座接到家用插頭后，線圈周圍會由于電流磁效應(yīng)而發(fā)作磁場。
要充電的電子商品，里邊也都有一個線圈，當它挨近充電座時，充電座的磁場將經(jīng)過電磁感應(yīng)，在電子商品的線圈上發(fā)作感應(yīng)電流。感應(yīng)電流導(dǎo)引到電池，就完成了充電座和電子商品間的無線充電。
大家也許會問，磁場不是要改動才干有電磁感應(yīng)嗎？可是充電座與充電的目標間隔卻始終堅持不變，這么為何會有電磁感應(yīng)呢？
原來，家用插座中流出的電是“交流電”，也便是說電流的方向不斷的替換改動，一瞬間順著流，一瞬間反著流。正由于如此，充電座線圈發(fā)作的磁場隨之不斷在改換方向，并非堅持不變，契合電磁感應(yīng)的條件。
可是不幸的是，智能手機或平板電腦在充電的時分，只需離充電座的間隔稍遠一些，充電功率就會顯著降低。即使是最新的技能，充電間隔也不能超越 5 公分。
事實上，如今絕大有些能夠無線充電的移動設(shè)備，都是要徹底平放在充電座上才干進行，和想像中隨走隨充的無線充電仍有點不一樣。
為了添加無線充電的間隔與充電功率，科學(xué)家正在設(shè)法運用“磁共振”的原理進行無線充電。在電路中加入一些電容、電感等特別的元件，恰當銜接后，會構(gòu)成“諧振電路”。
諧振電路能夠共振，兩個振蕩頻率一樣的諧振電路放在一同，其間一個開端由于通電而轟動時，另一個電路也會跟著轟動起來，“主動”發(fā)作電流，電能就這么被隔空傳送了。
這么的景象稱為“磁共振”，用來進行無線充電，能夠讓充電間隔到達數(shù)米，功率也有所前進。僅有的艱難便是，要將兩個電路調(diào)整到如出一轍的頻率，并且保持一段時間。
除了磁共振以外，也有科學(xué)家測驗用雷射光的光能來充電，乃至是將電能經(jīng)過和家用的 Wifi 網(wǎng)路相近的電波頻段來傳送。
無線充電技能的首要種類
現(xiàn)期間，無線充電存在四種不一樣的方法：電磁感應(yīng)方法、電磁共振方法、電場耦合方法、無線電波方法。
其間用在手機無線充電的技能首要是電磁感應(yīng)技能和電磁共振技能，當然，無線充電一旦打破技能壁壘，在今后的家電，以及開展勢頭正猛的電動汽車上一樣具有十分寬廣的遠景。
電磁感應(yīng)方法
咱們今日見到的各類無線充電技能，大多是選用電磁感應(yīng)技能，咱們能夠?qū)⑦@項技能看作是分離式的變壓器。
咱們知道，如今廣泛使用的變壓器由一個磁芯和二個線圈(初級線圈、次級線圈)構(gòu)成；當初級線圈兩頭加上一個交變電壓時，磁芯中就會發(fā)作一個交變磁場，然后在次級線圈上感應(yīng)一個一樣頻率的交流電壓，電能就從輸入電路傳輸至輸出電路。
假如將發(fā)射端的線圈和接納端的線圈放在兩個分離的設(shè)備中，當電能輸入到發(fā)射端線圈時，就會發(fā)作一個磁場，磁場感應(yīng)到接納端的線圈、就發(fā)作了電流，這么咱們就構(gòu)建了一套無線電能傳輸體系。
這套體系的首要缺陷在于，磁場跟著間隔的添加敏捷減弱，通常只能在數(shù)毫米至10公分的規(guī)模內(nèi)作業(yè)，加上能量是朝著五湖四海發(fā)散式的，因而感應(yīng)電流遠遠小于輸入電流，動力功率并不高。但關(guān)于近間隔觸摸的物體這就不存在疑問了。
最早運用這一原理的無線充電商品是電動牙刷——電動牙刷由于常常觸摸到水，所以選用無接點充電方法，可使得充電觸摸點不露出在外，增強了商品的防水性，也能夠整體水洗。
在充電插座和牙刷中各有一個線圈，當牙刷放在充電座上時就有磁耦合效果，運用電磁感應(yīng)的原理來傳送電力，感應(yīng)電壓經(jīng)過整流后就可對牙刷內(nèi)部的充電電池充電。
電磁感應(yīng)方法的特點是傳輸間隔短、運用方位相對固定，可是能量功率較高、技能簡略，很合適作為無線充電技能運用。
電磁共振方法
與電磁感應(yīng)方法對比，電磁共振技能在間隔上就有了必定的寬容度，它能夠支撐數(shù)公分至數(shù)米的無線充電，運用上愈加靈敏。
電磁共振一樣要運用兩個規(guī)范徹底匹配的線圈，一個線圈通電后發(fā)作磁場，另一個線圈因而共振、發(fā)作的電流就能夠點亮燈泡或許給設(shè)備充電。
除了間隔較遠外，電磁共振方法還能夠一同對多個設(shè)備進行充電，并且對設(shè)備的方位并沒有嚴格的限制，運用靈敏度在各項技能中居于榜首。
在傳輸功率方面，電磁共振方法能夠到達40%～60%，盡管相對較低但也進入商用化沒有任何疑問。
電磁共振方法將電能以電磁波“射頻”或非輻射性諧振“磁共振”等形式傳輸，它具有較高的功率和十分好的靈敏性，是如今業(yè)界的開發(fā)要點。
電磁耦合方法
相關(guān)于傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)式，電場耦合方法有三大長處：充電時設(shè)備的方位具有必定的自在度；電極能夠做得很薄、更易于嵌入；電極的溫度不會顯著上升，對嵌入也適當有利。
首要在方位方面，盡管它的間隔無法像磁共振那樣能到達數(shù)米的長度，但在水平方向上也一樣自在，用戶將終端隨意放在充電臺上就能夠正常充電。
咱們能夠看到電場耦合與電磁感應(yīng)的比照成果，電極或線圈間的錯位用dz/D（中心點間隔/直徑）參數(shù)來表明，當該參數(shù)為0時，表明兩者徹底重合，此刻能效處于最高狀態(tài)。
當該參數(shù)為1時，表明兩者徹底不重合。咱們能夠看到，此刻電場耦合方法僅僅降低了20%的能量輸入，設(shè)備依然是能夠正常充電，而電磁感應(yīng)式稍有錯誤、能量功率就敏捷降低，錯位超越0.5時就徹底無法正常作業(yè)，因而，電磁感應(yīng)式老是需求十分準確的方位匹配。
電場耦合方法的第二個特點是電極能夠做到十分薄，比如它能夠運用厚度僅有5微米的銅箔或許鋁箔，此外對資料的形狀、資料也都不請求，通明電極、薄膜電極都能夠運用，除了四方形外，也能夠做成別的任何十分規(guī)的形狀。
這些特性決議了電場耦合技能能夠被很容易地整合到薄型請求高的智能手機商品中，這也是該技能相關(guān)于別的計劃最顯著的長處。清楚明晰，若選用電場耦合技能，智能手機廠商在規(guī)劃商品時就有很寬松的自在度，不會在充電模塊規(guī)劃上遭受制肘。
第三個長處便是電極有些的溫度并不會上升——困擾無線充電技能的一個難題便是充電時溫度較高，會致使挨近電極或線圈的電池組受熱劣化，進而影響電池的壽數(shù)。
電場耦合方法則不存在這種困擾，電極有些的溫度并不會上升，因而在內(nèi)部規(guī)劃方面不必太故意。電極有些不發(fā)熱首要得益于前進電壓，如在充電時將電壓前進到1.5kv左右，此刻流過電極的電流強度只有戔戔數(shù)毫安，電極的發(fā)熱量就能夠操控得很抱負。
不過美中不足的是，送電模塊和受電模塊的電源電路仍然會發(fā)作必定的熱量，通常會致使內(nèi)部溫度前進10～20℃左右，但電路體系能夠被裝備在較遠的方位上，以防止對內(nèi)部電池發(fā)作影響。
電場耦合方法具有體積小、發(fā)熱低和高功率的優(yōu)勢，缺陷在于開發(fā)和支撐者較少，不利于遍及。
微波諧振方法
英特爾公司是微波諧振方法的擁護者，這項技能選用微波作為能量的傳遞信號，接納方接受到能量波今后，再經(jīng)過共振電路和整流電路將其還原為設(shè)備可用的直流電。
這種方法就適當于咱們常用的Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)，發(fā)收兩邊都各自具有一個專門的天線，所不一樣的是，這一次傳遞的不是信號而是電能量。
微波的頻率在300MHz～300GHz之間，波長則在毫米-分米-米等級，微波傳輸能量的能力十分強壯，咱們家庭中的微波爐便是用到它的熱效應(yīng)，而英特爾的微波無線充電技能，則是將微波能量轉(zhuǎn)換回電信號。
微波諧振方法的缺陷適當顯著，便是能量是五湖四海發(fā)散的，致使其能量運用功率低得出奇，如英特爾的這套計劃，供給電力低至1瓦以下，乍一看起來實用性適當有限。而它的長處，則是方位高度靈敏，只需將設(shè)備放在充電設(shè)備鄰近即可，對方位的請求很低，是最契合自然的一種充電方法。
咱們能夠看到，當設(shè)備收發(fā)兩邊徹底重合時，電磁感應(yīng)和微波諧振方法的能量功率都到達峰值，但電磁感應(yīng)顯著優(yōu)勝。不過跟著X-Y方向發(fā)作位移，電磁感應(yīng)方法呈現(xiàn)敏捷的衰減，而微波諧振則要陡峭得多，即使位移較大也具有適當?shù)目捎眯浴?/span>
盡管能量和功率處于較低的水平上，乍看實用價值較為有限，但作為PC業(yè)的巨子，英特爾具有化腐朽為神奇的身手，而它的做法也適當奇妙：英特爾將超極本規(guī)劃為無線充電的發(fā)送端，手機作為接納端，這么只需手機放在超極本周圍，就能夠在不知不覺中、接連不斷地充電——信任在上班時，大大都用戶都有將手機放在桌面上的習慣，此刻充電作業(yè)就能夠在后臺開端了。
即使英特爾所用的微波諧振方法只能充入很低的電量，但在長時間的充電下，智能手機商品的電力幾乎將永不衰竭，最少從用戶角度上看是這么，由于只需他帶著著筆記本電腦、就底子不再需求重視充電疑問。
無線微波方法盡管能效很低，但運用最為便利。
別的無線充電新技能介紹
超聲波無線充電
一家名叫uBeam的公司發(fā)明晰一種全新的無線充電形式，能夠運用超聲波將電力隔空輸送到約5米外的當?shù)亍Ｓ辛诉@么的商品，只需運用專用的無線充電套，你就能夠在充電的一同拿著手機在屋里走動。
uBeam的原型商品還對比粗笨，但該公司正在盡力減小體積，趕快推向商場。據(jù)悉，現(xiàn)已有多家公司期望與uBeam到達戰(zhàn)略協(xié)作，為顧客供給這種無線隔空充電服務(wù)，以便招引更大客流，包含星巴克、維珍航空、喜達屋酒店以及多家快餐連鎖。除此以外，uBeam還與蘋果和三星等硬件廠商展開了交流。
有許多公司都測驗過真正的無線充電，但大都都以失利告終，終究只完成了磁共振充電。這種形式有必要將設(shè)備挨近發(fā)射器，乃至直接與發(fā)射器觸摸，所以并沒有較插電式充電完成嚴重打破。但是， uBeam的無線充電形式也許具有巨大潛力。
詳細而言，uBeam運用的是超聲傳導(dǎo)技能，發(fā)射器經(jīng)過插座或建筑物的電力體系取電，然后將其轉(zhuǎn)換成超聲波，再將轟動發(fā)射到內(nèi)置接納器的設(shè)備——例如裝備無線充電套的手機，接納器今后擔任將超聲波轟動轉(zhuǎn)換成電力，為移動設(shè)備充電。uBeam表明，這種形式的充電速度與直接運用傳統(tǒng)電源相似。
這種超聲波隔空充電方法有幾大優(yōu)勢。首要，這種技能十分安全，它運用的超聲波與監(jiān)測胎兒時運用的超聲波相似。別的，接納器的報價也很廉價，大概只需50美元，乃至更低，并且體積細巧。不僅如此，這些超聲波還能夠用于傳輸數(shù)據(jù)，能夠在物聯(lián)網(wǎng)范疇發(fā)揮效果。
最招引普通用戶的在于，該種技能的有用規(guī)模大概5米，對移動中的設(shè)備一樣有用。盡管智能手機現(xiàn)已在體積和性能上完成了嚴重前進，但電池續(xù)航能 力仍未得到太大改觀，這不僅有損了用戶體會，還阻礙了全部移動經(jīng)濟的開展。因而，uBeam的技能也許對全部職業(yè)構(gòu)成推進。
從長時間來看，假使uBeam的無線充電協(xié)議果然完成應(yīng)有的潛力，意味著電線將會逐步不見。不僅是手機，別的各類用電設(shè)備也都將運用這種技能。
需求明確的是，uBeam仍在戰(zhàn)勝一些嚴重的技能應(yīng)戰(zhàn)，終究的商品也許無法在報價、功率、速度和安全方面到達預(yù)期。不過，假使真能完成商場預(yù)期，便會變成一項革命性 的技能，這也恰是大家夢寐以求的成果。
運用聚集光線充電
假如你的智能手機在白日就呈現(xiàn)了電量耗盡的狀況，通常大家都會感到煩惱，大大都人的解決方法便是測驗記住在黑夜要為他們的設(shè)備充電。
即使是這么 做，有時也不行大家平時運用，全天充電有時是很有必要的，為此微軟研究院現(xiàn)已制定出了一個潛在的解決計劃：AutoCharge。
微軟研究人員們描繪AutoCharge是一種主動定位桌子上的智能手機，并為它們充電的技能。他們制作的原型充電器能夠被安裝在天花板上，有兩個作業(yè)模塊：一個監(jiān)測模塊，其選用的是微軟的Kinect攝像頭，能夠掃描像智能手機姿態(tài)的物體；另一個是充電形式，選用了UltraFire CREE XM-L T6來聚集LED光線。
該AutoCharge體系選用了根據(jù)圖像處理來監(jiān)測和追尋桌上的智能手機，并主動為智能手機充電。充電器會不斷地旋轉(zhuǎn)，直到它檢測到一個看起來像智能手機的物體，今后將運用太陽能發(fā)電技能所發(fā)作的光束為智能手機遠程充電。換句話說，便是無需電線。
AutoCharge經(jīng)過藍牙或手機上的LED和智能手機樹立銜接。這保證了當電池充滿電今后能夠中止充電，以及保證那些巨細和形狀與智能手機相似的物體不能被充電。該體系在識別到有物體出如今了它和智能手機之間，對充電形成攪擾時，還能夠在50毫秒內(nèi)主動封閉。
無線充電技能規(guī)范
如今干流的無線充電規(guī)范有三種：Power Matters Alliance（PMA）規(guī)范、Qi規(guī)范、Alliance for Wireless Power（A4WP）規(guī)范。
Power Matters Alliance規(guī)范
Power Matters Alliance規(guī)范是由Duracell Powermat公司建議的，而該公司則是由寶潔與無線充電技能公司Powermat合資經(jīng)營，具有對比超卓的歸納實力。除此以外，Powermat仍是Alliance for Wireless Power（A4WP）規(guī)范的支撐成員之一。
如今現(xiàn)已有AT&T、Google和星巴克三家公司加盟了PMA聯(lián)盟（Power Matters Alliance縮寫）。PMA聯(lián)盟致力于為契合IEEE協(xié)會規(guī)范的手機和電子設(shè)備，創(chuàng)造無線供電規(guī)范，在無線充電范疇中具有領(lǐng)導(dǎo)地位。
如今Duracell Powermat公司推出過一款WiCC充電卡選用的便是Power Matters Alliance規(guī)范。WiCC比SD卡大一圈，內(nèi)部嵌入了用于電磁感應(yīng)式非觸摸充電的線圈和電極等組件，卡片的厚度較薄，插入現(xiàn)有智能手機電池周圍即可運用，運用該卡片可使許多便攜終端輕松支撐非觸摸充電。
Qi規(guī)范
Qi是全球首個推進無線充電技能的規(guī)范化安排——無線充電聯(lián)盟（Wireless Power Consortium，簡稱WPC）推出的“無線充電”規(guī)范，具有便捷性和通用性兩大特征。
首要，不一樣品牌的商品，只需有一個Qi的標識，都能夠用Qi無線充電器充電。其次，它霸占了無線充電“通用性”的技能瓶頸，在不久的將來，手機、相機、電腦等商品都能夠用Qi無線充電器充電，為無線充電的大規(guī)模使用供給也許。Qi選用了如今最為干流的電磁感應(yīng)技能。如今Qi在中國的使用商品首要是手機，這是第一個期間，今后將開展運用到不一樣種類或更高功率的數(shù)碼商品中。到如今，聯(lián)盟成員數(shù)量已添加到74家，包含飛利浦、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。
A4WP規(guī)范
A4WP是Alliance for Wireless Power規(guī)范的簡稱，由美國高通公司、韓國三星公司以及前面說到的Powermat公司一起創(chuàng)立的無線充電聯(lián)盟創(chuàng)立。
該聯(lián)盟還包含Ever Win Industries、Gill Industries、Peiker Acustic和SK Telecom等成員，目標是為包含便攜式電子商品和電動汽車等在內(nèi)的電子商品無線充電設(shè)備設(shè)立技能規(guī)范和職業(yè)對話機制。
該無線充電聯(lián)盟將要點引進“電磁諧振無線充電”技能，與Qi的“電磁感應(yīng)技能”有所區(qū)別，這兩種技能各有千秋。
前者傳輸功率也許較低，但能夠完成稍遠間隔的無線充電。后者需求近間隔觸摸，例如將手機放在一個底座上，不必接線就能夠經(jīng)過感應(yīng)充電，但這么充電功率較高。
A4WP規(guī)范構(gòu)成聯(lián)盟期望讓無線充電敏捷遍及，讓用戶在任何當?shù)囟伎蛇M行無線充電。或許說，A4WP想要讓無線充電廉價一些，并且在不添加手機、平板或許筆記本電腦體積的狀況下添加充電接口，這意味著將有不斷增加的制作商默許挑選無線充電器。
注：Alliance for Wireless Power（A4WP）和Power Matters Alliance（PMA）兩大無線充電技能聯(lián)盟現(xiàn)已兼并。兼并后的聯(lián)盟更名為AirFuel Alliance。新稱號標志著兩大集團將盡力攜手共進，趕快將智能手機和平板電腦的無線充電解決計劃規(guī)范進行一致，一起與Wireless Power Consortium (WPC)的Qi無線充電規(guī)范相競賽。
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