一文看懂手機無線充電技術(shù)的奧秘

　　現(xiàn)階段無線充電存在四種不同的商用技術(shù)：電磁感應(yīng)技術(shù)、無線電波技術(shù)、電磁共振技術(shù)、電場耦合技術(shù)，主要用在手機無線充電的技術(shù)是電磁感應(yīng)技術(shù)和電磁共振技術(shù)。而手機無線充電標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)階段手機無線充電標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟主要有兩個，一個是WPC，一個是Airfuel。

　　三星Galaxy S8搭配了折疊式無線充電器，利用無線充電，三星Galaxy S8的電量能被很快充滿。但一個尷尬的事實是，無線充電仍然只是少數(shù)廠商的堅持。不過在三星堅持的同時，蘋果也暴露了布局無線充電的野心，兩大巨頭的不謀而合，很可能在這個尚未被重視的領(lǐng)域再次開戰(zhàn)。就目前手機行業(yè)現(xiàn)狀來說，無線充電尚未大面積流行，沒火的原因并不是因為無線充電沒有搭載的必要，而是現(xiàn)階段該技術(shù)還存在諸多短板。

　　三星的無線充電方案已經(jīng)達(dá)到了手機無線充電領(lǐng)域最為前端的水準(zhǔn)，但仍需要在技術(shù)方面得到質(zhì)的飛躍。有消息稱，三星Galaxy S8無線充電支持Qi和PMA兩種協(xié)議，這兩種協(xié)議仍有兩大短板尚未解決——傳輸距離短，擺放位置要求嚴(yán)格，這也是阻礙無線充電流行起來的技術(shù)門檻。為何技術(shù)難點遲遲難以攻克，我們先要從無線充電的原理講起。手機無線充電原理無線充電的原理就是利用電磁波感應(yīng)，其過程類似于變壓器通電，在發(fā)送和接收端各有一個線圈，發(fā)送端線圈連接有線電源產(chǎn)生電磁信號，接收端線圈感應(yīng)發(fā)送端的電磁信號從而產(chǎn)生電流給電池充電。

　　無線充電技術(shù)的原理研究可以追溯到19世紀(jì)30年代，科學(xué)家邁克爾?法拉第首先發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)原理，即周圍磁場的變化將使電線中產(chǎn)生電流。到了19世紀(jì)90年代，愛迪生光譜輻射能研究項目的一名助手，偉大的科學(xué)家尼古拉?特斯拉證實了無線傳輸電波的可能性。

　　當(dāng)然無線供電在以后的家電，以及發(fā)展勢頭正猛的電動汽車上也有比較廣闊的前景。一旦無線充電突破技術(shù)壁壘，在保證轉(zhuǎn)化率、安全性、易用性的同時，高效快速的充電就會像科幻小說《三體》里描述的那樣，給人類帶來生產(chǎn)力的進(jìn)一步發(fā)展。在這里，我們單說一下關(guān)乎手機充電的電磁感應(yīng)、電磁共振。

　　①電磁感應(yīng)式充電

　　初級線圈一定頻率的交流電，通過電磁感應(yīng)在次級線圈中產(chǎn)生一定的電流，從而將能量從傳輸端轉(zhuǎn)移到接收端。目前最為常見的手機無線充電解決方案就采用了電磁感應(yīng)，手機無線充電使用的充電座和終端分別內(nèi)置了線圈，二者靠近便開始從充電座向終端供電。為提高供電效率，需要使線圈之間的位置對齊，不產(chǎn)生偏移。

　　現(xiàn)階段電磁感應(yīng)無線充電相對于磁場共振充電能夠擁有更高的轉(zhuǎn)化率，充電轉(zhuǎn)化率可達(dá)80%左右，目前該技術(shù)被廣泛的運用到了手機無線充電領(lǐng)域。但這種方式的無線充電技術(shù)也存在比較明顯的弊端——傳輸距離短、位置要求嚴(yán)格?，F(xiàn)階段上市的無線充電手機，都需要手機與充電板接觸才能進(jìn)行無線充電，而且對放置位置有著極為苛刻的要求。采用這種方式的無線充電傳輸距離難以改進(jìn)，所以廠商針對其放置位置要求嚴(yán)苛的情況進(jìn)行了改良。

　　2011年8月從事智能手機外設(shè)業(yè)務(wù)的日本Oar公司推出了名為“無線充電板”的充電座。內(nèi)置有磁鐵，可以將終端吸引到指定位置；松下于2011年6月推出的“無接點充電板”內(nèi)部的線圈帶有驅(qū)動裝置，可在平面中移動。通過自動檢測終端放置位置，并移動至該位置，使線圈的位置相一致，從而實現(xiàn)終端放在充電板上的任何位置均可充電；日立麥克賽爾于2011年4月上市的無線充電器“AIR VOLTAGE”內(nèi)置14個線圈，從而增加位置對準(zhǔn)的概率。但顯然這樣的改良需要更高的成本去支持。

　　②磁場共振充電

　　該系統(tǒng)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。例如將兩個銅線圈作為共振器，發(fā)射端以10MHz頻率振動，周圍會發(fā)散出電磁場，而接受端需要同樣以10MHz頻率振動，才能接收到這個傳遞過來的能量。007年6月7日，麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊在美國《科學(xué)》雜志的網(wǎng)站上發(fā)表了他們的研究成果。研究小組把共振運用到電磁波的傳輸上，從而成功“抓住”了電磁波。他們利用銅制線圈作為電磁共振器，一團(tuán)線圈附在傳送電力方，另一團(tuán)在接受電力方。這項被他們稱為“無線電力”的技術(shù)經(jīng)過多次試驗，已經(jīng)能成功為一個兩米外的60瓦燈泡供電。目前這項技術(shù)的最遠(yuǎn)輸電距離還只能達(dá)到2.7米。如果要縮小線圈尺寸，接收功率自然也會下降。相比電磁感應(yīng)方式，利用磁場共振可延長傳輸距離。磁場共振方式不同于電磁感應(yīng)方式的另一點優(yōu)勢在于其無需使線圈間的位置完全吻合就可以實現(xiàn)較為高效的供電。

　　由于磁場共振式充電可以不受位置的嚴(yán)苛限制，并且能夠?qū)崿F(xiàn)一對多充電，這種方式將成為未來手機乃至電動汽車、家電等無線供電的發(fā)展方向。但目前需要解決的技術(shù)壁壘就是轉(zhuǎn)化率低，無法解決這個問題的話，想要讓這種方式大面積普及就得像《三體》中描述的那樣：“即使在兩個世紀(jì)前，這也是一項很普通的技術(shù)，之所以在當(dāng)時沒有普遍使用，是因為這種供電方式損耗太大，發(fā)射到空間中去的電能只有一小部分被接收使用，大部分都散失了。而在這個時代，由于可控核聚變技術(shù)的成熟，能源已經(jīng)極大地豐富了，無線供電所產(chǎn)生的損耗變得可以接受?！?/p>

　　另外一個需要解決的問題就是電磁輻射。當(dāng)然為手機充電這種小功率的電磁輻射還不必?fù)?dān)心，但為了滿足像電動汽車充電這種對功率要求高的情況，發(fā)射端就必須提高電壓和頻率，從而產(chǎn)生大功率電磁波。長時間遭受電力線的磁場輻射會有害健康已是科學(xué)界的共識，大功率磁場對身體的損傷就更為嚴(yán)重，而且會對電器產(chǎn)生干擾。所以想要推廣大功率的無線充電，就要改變或者規(guī)避這些輻射。

　　2008年12月17日，飛利浦電子、德州儀器、國家半導(dǎo)體等幾大公司攜手組建無線充電聯(lián)盟WPC，共同制定無線充電標(biāo)準(zhǔn)Qi，以提高不同產(chǎn)品的兼容性。Qi是迄今為止全球分布范圍最廣、最普及的無線充電標(biāo)準(zhǔn)。因為采用統(tǒng)一的無線充電標(biāo)準(zhǔn)，所以只要是支Qi協(xié)議，來自不同廠商的產(chǎn)品無線充電功能也能通用。Qi無線充電標(biāo)準(zhǔn)采用電磁感應(yīng)技術(shù)，所以這種無線充電標(biāo)準(zhǔn)最大的問題就是剛才提到的那些，其技術(shù)實現(xiàn)需要用戶將終端對準(zhǔn)無線充電的基座，發(fā)射端與接收端精確對準(zhǔn)才能進(jìn)行充電，而且傳輸距離限制較為嚴(yán)苛。PMA無線充電標(biāo)準(zhǔn)是由Duracell Powermat公司發(fā)起的，而該公司則是由寶潔與無線充電技術(shù)公司Powermat合資經(jīng)營，擁有比較出色的綜合實力。推動PMA普及的是拉動戰(zhàn)略，即通過企業(yè)支持制造消費者需求，星巴克在連鎖店支持這種充電技術(shù)就是一個范例。