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如何摆脱数据线完成“隔空”充电?看这里!

2020-08-31 17:19:51      点击:733    评论:0      来源:科技日报

隔空充电、摆脱数据线……随着物联网、可穿戴和便携式设备的发展,消费者开始厌倦杂乱的电缆和需要频繁充电的电池,越来越多的电子设备用上了无线充电技术。

日前,小米十周年发布会上发布了小米10超大杯系列,将无线充电提升至50W,理论上用无线充电40分钟可将手机充满。除了三款“超大杯”产品,小米还推出了两款无线充电配件产品,以配合手机的使用需求。

无线充电的基本原理是什么?有线充电与无线充电对硬件的性能有什么不同的要求吗?无线充电未来会取代有线吗?就此,科技日报记者采访了国内有关专家。


给电子设备无线充电是怎么回事?

无线充电技术顾名思义,它是一种非物理接触的电能传输方式,对于充电器的位置没有限制,只需将移动设备放置在充电板上即可完成“隔空”充电。

当前,无线充电作为一种便携式的充电方式,已被应用到了生活中的诸多领域。包括各种小功率电子设备的充电,例如手机、平板电脑、电动牙刷、手环、电子手表、电子眼镜等。

在可穿戴领域,可用于人体植入电路的充电,也可用于小型家用机器人的自动充电,如扫地机器人等,还可以用于户外公共区域,提供公益性或租赁式充电服务。另外,电动汽车的无线充电可以摆脱粗重的充电线缆,实现随时随地的无线充电,将是未来一个重要的应用场景。

那么,该技术是如何做到“隔空”充电的?“无线充电技术最早起源于尼古拉·特斯拉的无线电力输送设想,主要理论基础是电磁感应,简单可以理解为‘电生磁、磁生电’原理。”厦门大学信息学院副院长洪学敏教授说。

洪学敏以手机为例解释说,手机的充电器中有一个磁芯,外面绕有线圈,充电器端的电流通过线圈产生感应磁场,而电磁场能够在空间传播。同时,手机中也有一个相应的接收线圈,在一定空间范围内,能够接受到充电器发出的电磁场,经过充电电路就可以给手机充电。

随着技术的不断发展,其他如通过磁共振、电场耦合、无线电波等方式也可以实现无线充电,而当前主要的无线充电方式中各有优缺点。

“电磁感应式是目前发展最为成熟,可以大规模普及,对于环境的适应能力也较强,已经商业化和产业化。”华东师范大学通信与电子工程学院、上海市多维度信息处理重点实验室李庆利教授介绍说,这种方式采用的频率普遍较低,远场区域仅存在少量电磁波,因而对其它设备造成的电磁干扰小,对人体、动物等影响很小。但是,这种电磁感应的形式,充电效率较低对于大功率电器的充电需求来说,较难满足其要求。

而磁共振无线充电方式具备传输距离远,可以一对多无线充电等优点,适合未来在新能源汽车无线充电、公共场所无线充电热点布置等应用场景中推广使用。无线电波式、电场耦合式的无线充电技术在未来的产业化应用场景仍需要进一步探索。

无线充电具备便捷性和通用性

有线充电与无线充电对硬件的性能有什么不同的要求?

科技日报记者了解到,有线充电目前十分成熟,硬件上只需要相应的接口和电源管理接口电路。而无线充电相比有线充电对设备硬件性能要求更高,由于充电方式不同,其充电器和接收器都需要重新设计。

“比如手机、智能穿戴等电子设备一般包含中央处理器(CPU)、数字信号处理(DSP)等运算处理芯片,无线充电的高频交变电场可能会对这些芯片工作产生一定程度的干扰,需要加强屏蔽措施或设计具有更高抗干扰能力的芯片。”李庆利说。

洪学敏也指出,由于无线充电目前转换效率相比于有线充电依旧较低,因此会存在功率损耗的问题,产生不必要的热能,使得电子设备的机身温度上升,因此在电池上可能需要进行一些耐热性能的提高。

随着无线充电技术越来越成熟,也使得产品使得产品设计更加紧凑和小型化,具备一定的优势:解决当电子设备过多时线缆过多的问题;提高用电安全性,免插拔,无电火花,避免电源线腐蚀老化带来的触电风险;设备密封性好,具有较好的防水防潮能力,在潮湿或易积水场合也能安全使用;促进新能源交通工具的推广,降低空气污染。

“无线充电技术极大满足人们对电子设备便携性、高效率、环境品质的追求,因此无线充电技术是未来的主要趋势,发展前景巨大,具有极大可能取代有线充电。”李庆利说。

根据市场调研机构Market Research Future(MRFR)报告指出,受物联网的普及影响,无线技术快速发展,导致全球无线安全系统市场在2023年将突破140亿美元,复合增长率达11%(2017-2023)。

目前,国际无线充电联盟制定的“Qi无线标准”具备便捷性和通用性两大特征。首先,不同品牌的产品,只要有一个Qi的标识,都可以用Qi无线充电器充电。其次,它攻克了无线充电“通用性”的技术瓶颈,在不久的将来,手机、相机、电脑等产品都可以用Qi无线充电器充电,为无线充电的大规模应用提供可能。

未来需补齐多个无线充电“短板”

虽然无线充电技术与传统的有线充电方式相比较,具有诸多的优势,但是,该技术诞生到现在还没有完全普及,这当中,既有当前技术上的限制,也有人们对无线充电技术存在认识误区的原因。

“无线充电设备体积上仍较大,设备需要内置充电线圈造成便携式设备体积相对有线充电方式的要大,同时增加了产品的成本,使得用户接受度差。同时,无线实际使用过程中相对有线的充电速度仍然较慢,也使得用户体验较差。”洪学敏指出,一些领域对于无线充电的行业标准尚未界定,使得不同厂商品牌的电子产品无法使用其他厂商的无线充电器,打击了用户的购买热情。

同时,记者还了解到,人们对于无线充电依旧存在一些顾虑,例如电磁辐射和致癌等。对此,北京工业大学应用数理学院周洪直副教授曾在一次采访中指出,给手机无线充电会产生一定的辐射,但在有质量保证和使用正确的前提下,这种辐射对人体几乎没有危害,更不会致癌。

“未来,要实现无线技术的完全普及,还需要学术界和工业界一起携手进行技术上的突破。”李庆利建议说,技术上可以研究减小接收端线圈体积的方法,尝试设计新材料线圈;研究提高充电效率的方法,缩短充电时间,比如从充电波形、电路设计、线圈新材料选择,提高电池充电电流等方面考虑。厂商可以形成相关产业联盟,大力宣传无线充电的优点,并严格按照国家标准进行设计和生产,严格控制产品质量,防止出现充电安全事故给用户造成损害。

洪学敏则建议政策上可以进一步完善相应无线充电国家标准,国家可以持续关注无线充电技术的发展,并且给与更多的政策的支持,推动产学结合。同时,大力宣传无线充电的安全性及优点,使用户逐渐消除对无线充电危害健康的误解。

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