隔空取電：無線充電技術(shù)解析

隔空取電：無線充電技術(shù)解析隨著生活中的筆記本、手機(jī)、MP4、數(shù)碼相機(jī)、PSP等電子設(shè)備越來越多，在不知不覺中各種“理不清”的線纜以及需要事先布置好的插座給我們帶來了與日俱增的困擾。盡管目前已經(jīng)有紅外、射頻、藍(lán)牙等無線數(shù)據(jù)傳輸方式可以減少線纜數(shù)量，但最基本的電力能源供應(yīng)仍基于有線傳輸，“蛛網(wǎng)纏身”的感覺揮之不去。近來，科技的迅速發(fā)展讓無線電力傳輸研究有了很大突破，為電子設(shè)備無線充電也已成為了可能，真正實(shí)現(xiàn)了“無線”的意義。游戲中的電磁波武器提起無線充電，可以從最早的特斯拉線圈說起。大家一定對(duì)《紅色警戒2》游戲中的特斯拉塔印象頗深，這種殺傷力極大的武器就是根據(jù)特斯拉線圈的雛形幻想而來。美籍科學(xué)家尼古拉?特斯拉在1891年發(fā)明“特斯拉線圈”，這種裝置可以產(chǎn)生頻率很高的無線高壓電流，不過該高壓電的電流極小，無法應(yīng)用在實(shí)際使用中。從原理來看，在特斯拉線圈中，電源要先給主電容充電，當(dāng)電壓達(dá)到打火器的放電閥值時(shí)，打火器間隙的空氣開始電離打火，近似導(dǎo)通，使初級(jí)諧振回路建立，開始振蕩，向次級(jí)回路傳遞能量。次級(jí)回路隨即起振，接收能量。幾個(gè)周波后，初級(jí)回路能量釋放完畢。此時(shí)，較大部分的能量都轉(zhuǎn)移到次級(jí)回路上，一部分能量損耗在回路上。特斯拉線圈放電頻度都在每秒100次以上，所以肉眼看上去為類似閃電的連續(xù)放電效果。在當(dāng)時(shí)，特斯拉就利用這些線圈進(jìn)行一系列創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，如電氣照明、熒光光譜、X射線、電療等,從而開創(chuàng)了無線電力傳輸?shù)南群印５且驗(yàn)橥顿Y巨大，這項(xiàng)技術(shù)“胎死腹中”，最終只是出現(xiàn)在科幻小說或游戲中。徹徹底底實(shí)現(xiàn)“無線”不同的傳輸方式雖然特斯拉線圈在當(dāng)時(shí)并沒有得到推行，但后人從理論上完全證實(shí)了這種方案的可行性，經(jīng)過多年研究，科學(xué)家們認(rèn)為進(jìn)行無線電力傳輸是可能的。無線電力傳輸是一種區(qū)別于有線傳輸?shù)奶厥夤╇姺绞剑壳八嬖陔姶鸥袘?yīng)、電磁共振和微波等不同的方式，這三種技術(shù)分別適用于近程、中短程與遠(yuǎn)程電力傳送。其中電磁感應(yīng)是將線圈中的電流直接以電磁波形式進(jìn)行1cm以下的近距離收發(fā)，收發(fā)設(shè)備需要有較高的識(shí)別能力，由于電磁波是向四面八方輻射而大量散失，因此效率較低，通常它只適合相互“貼著”的小功率電子產(chǎn)品。電磁共振方式是利用電流通過線圈產(chǎn)生同頻率的磁場(chǎng)共振實(shí)現(xiàn)無線供電，磁場(chǎng)的強(qiáng)弱決定了它的傳輸距離和效率，它可以實(shí)現(xiàn)10m左右距離的室內(nèi)供電。微波方式是將電力以微波或激光形式發(fā)射到遠(yuǎn)程的接收設(shè)備，然后通過整流、調(diào)制等處理后使用。幾種技術(shù)各有特點(diǎn)，近來電磁感應(yīng)和電磁共振技術(shù)取得了突破，更適合我們?nèi)粘?yīng)用。利用磁場(chǎng)產(chǎn)生電能在中學(xué)的物理課本上，我們都知道電流是由線圈旋轉(zhuǎn)切割磁場(chǎng)產(chǎn)生的。當(dāng)兩個(gè)設(shè)備中分別使用了一個(gè)具備振蕩電路特性的線圈組成一對(duì)收發(fā)天線，讓其中一個(gè)天線發(fā)送能量，另一個(gè)天線則接收能量。當(dāng)向其中的發(fā)送線圈加載數(shù)兆赫茲的交流電場(chǎng)之后，其天線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，通過相同頻率共振向處于一定距離之外的另一根天線傳輸電力，從而實(shí)現(xiàn)了無線電力傳輸。Intel西雅圖實(shí)驗(yàn)室就試制出了這樣的磁場(chǎng)耦合共振電力收發(fā)器，可以在2米距離內(nèi)無線給60W燈泡提供電力。Intel首席技術(shù)官JustinRattner表示，未來可以將無線充電裝置安裝在辦公桌內(nèi)部，只要將筆記本、手機(jī)等放在桌上就能夠立即供電。在未來，我們可以將無線充電裝置放在辦公室、旅館和機(jī)場(chǎng)的頂部，只要身處發(fā)射共振有效工作距離之內(nèi)，就能立即為筆記本、手機(jī)無線充電，就像現(xiàn)在已經(jīng)十分普及的WiFi無線上網(wǎng)一樣簡(jiǎn)單。我們不再需要隨身攜帶充電器，不再為各種不匹配的接口而發(fā)愁，也不必為延長待機(jī)時(shí)間而使用笨重的電池了?；蛘呶覀兛梢栽谧约业膲ι习惭b一個(gè)電力發(fā)射器，這樣所有的家用電器也可以實(shí)現(xiàn)無線充電。線圈決定效率Intel等眾多研發(fā)團(tuán)隊(duì)正在考慮如何將無線充電系統(tǒng)嵌入小型設(shè)備中，這需要克服諸多難題，如接收裝置的大小、傳輸距離的局限、傳輸過程中能量的損耗等。無論是電磁感應(yīng)，還是電磁共振技術(shù)，效率都和產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈大小有關(guān)。如果要將它內(nèi)置到充電裝置和筆記本、手機(jī)等便攜設(shè)備中，就必須精簡(jiǎn)線圈尺寸，發(fā)送和接收效率自然也會(huì)隨之下降，由此需要更先進(jìn)的控制芯片以及收發(fā)電路設(shè)計(jì)使無線電能的傳輸效率提升到75%以上，從而讓無線供電的效率更高，充電時(shí)間更短。同時(shí)，距離也是無線電力傳輸?shù)囊淮笳系K，距離越遠(yuǎn)損耗越大，接收端能感應(yīng)到的電能也就越少。然而在通常情況下，當(dāng)接收端天線的固有頻率與發(fā)射端的磁場(chǎng)頻率一致時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振，此時(shí)磁場(chǎng)耦合強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，無線電力的傳輸效率大幅度提高。不過，這種電磁場(chǎng)的頻率可能對(duì)設(shè)備內(nèi)部的其他部件造成干擾。磁場(chǎng)耦合共振電力收發(fā)器點(diǎn)亮燈泡成品讓應(yīng)用更為便捷經(jīng)過多年的討論和研究，關(guān)于無線充電技術(shù)并非空談，目前我們已經(jīng)可以看到不少此類產(chǎn)品推出，一些公司也都擁有各自的技術(shù)專利。這些技術(shù)不盡相似，它都有一個(gè)專門的供電發(fā)送端，內(nèi)部有許多線圈，通電后可產(chǎn)生磁場(chǎng)，而接收端內(nèi)部也內(nèi)置了一個(gè)接收線圈，放在供電發(fā)送端附近時(shí)就可以接收其內(nèi)部磁場(chǎng)產(chǎn)生的電能，并將它傳輸給待充電設(shè)備內(nèi)部的電池。有許多廠家為Apple、摩托羅拉等手機(jī)提供了不少無線充電方案,WildCharge公司為其設(shè)計(jì)了一種接頭套件，接頭內(nèi)部由電感線圈組成，將它與手機(jī)的充電接口連接。安裝好后，只要把手機(jī)放到充電板上就可以開始無線充電了，這個(gè)接頭和充電板總價(jià)約80美元。也就是說，即使現(xiàn)在的手機(jī)、MP3產(chǎn)品中沒有嵌入無線接收線圈也同樣可以實(shí)現(xiàn)無線充電，這無疑可以讓普通產(chǎn)品邁入無線充電的門檻降低。另外，WildCharger還推出了功率較大的產(chǎn)品，除了可以給多種手機(jī)和MP4充電，還可以為筆記本充電。SplashPower公司推出了形同鼠標(biāo)墊的無線充電器SplashPads，只需要把要充電的設(shè)備放在上面就可以開始充電，可以同時(shí)對(duì)多個(gè)設(shè)備充電。在SplashPads的塑膠薄膜里面裝有產(chǎn)生磁場(chǎng)的小線圈陣列，而內(nèi)置磁性接收線圈的接收端可以貼在電子設(shè)備的電池上。在今年的CES上，Powercast公司展出了一種可以安裝在墻上電源插座上的發(fā)送器，以及可以安裝在任何低電壓產(chǎn)品中的微型接收器，可在半徑約1米范圍內(nèi)為不同產(chǎn)品的電池充電。整個(gè)系統(tǒng)并不復(fù)雜，而且造價(jià)低廉，只需5美元。Powercast聲稱已與生產(chǎn)手機(jī)、汽車配件及助聽器等的公司簽署合作協(xié)議，尤其是植入人體的儀器，往往需要?jiǎng)邮中g(shù)才可以換電池，假如使用無線充電系統(tǒng)，病人就不會(huì)有再次開刀的痛苦了。想要普及無線充電技術(shù)，需要形成一個(gè)國際通行的標(biāo)準(zhǔn)，收發(fā)設(shè)備之間需要具備廣泛的兼容性，各家產(chǎn)品之間也要能互換。目前由包括飛利浦、奧林巴斯、三洋和德州儀器等八家大廠組成了無線充電技術(shù)協(xié)會(huì)，該協(xié)會(huì)已經(jīng)為使用5W以下的低功耗電子設(shè)備制定了標(biāo)準(zhǔn)，這意味著無線充電技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化正式走向?qū)嵤╇A段。在不久的將來，新的標(biāo)準(zhǔn)能讓便攜式設(shè)備具備無線電力傳輸?shù)墓δ埽⒆屵@個(gè)充電過程更為方便，省去了插拔接頭的過程。WildCharge通過特殊接口能給多種手機(jī)充電SplashPads能為多種設(shè)備充電立電扳磁力線分簾接收線圈充電接收器發(fā)射線崔充電板立電扳磁力線分簾接收線圈充電接收器發(fā)射線崔充電板SplashPads的結(jié)構(gòu)示意圖寫在最后無線充電技術(shù)的推行為我們帶來了更為方便的應(yīng)用，真正實(shí)現(xiàn)“無線”的意義。當(dāng)所有家用電器實(shí)現(xiàn)無線充電時(shí)，我們就可以對(duì)電線及插座說“再見”了。同時(shí)作為一種科學(xué)研究，無線電力傳輸可以帶動(dòng)其他科技領(lǐng)域的發(fā)展，比如衛(wèi)星、飛機(jī)、汽車之間的能量傳輸都可以使用無線方式。任何技術(shù)都是雙刃劍，在將其應(yīng)用到實(shí)踐中，尤其是應(yīng)用到與人類的日常生活息息相關(guān)的家電產(chǎn)品中時(shí)，難免會(huì)讓人對(duì)其產(chǎn)生質(zhì)疑。因?yàn)殡姶挪ㄔ诳臻g傳輸?shù)亩ㄏ蛐圆?，使本來不多的能量衰竭得更快，無線傳輸功率低，整體效率差，而且會(huì)對(duì)空間造成很大的電磁污染，在未屏蔽的情況下會(huì)影響用戶