隨著蘋果Appple watch開始支持無線充電,無線充電技術(shù)終于拉開了產(chǎn)業(yè)化的進程,越來越多的設(shè)備加入無線充電功能,由于移動設(shè)備具備always-on GPS、高性能無線視頻/音頻技術(shù)、日益突出的應(yīng)用及連續(xù)使用等功能,因此盡管改進了電池技術(shù),其電池壽命仍然較短,從而有了要求更方便的移動充電配件的需求。現(xiàn)在市面上的無線充電系統(tǒng)即可滿足這些需求,只需將移動設(shè)備放置在充電板上即可完成充電,無需最終會出現(xiàn)磨損的微型連接器,無需在暗處摸索著插入充電器,無需幫助孩子插入玩具。是的,這是一類全封閉、完全防水的裝置,將手機放在餐廳的充電臺上、離開時即可充滿電,是如此之方便。事實上,據(jù) IHS 研究報告顯示,在 2012 年至少交付了 500 萬的無線充電設(shè)備,預(yù)計到 2015 年將會有一億的交付量。當然這不僅僅是指智能手機,還包括 MP3 播放器、數(shù)碼相機和其他移動電子設(shè)備。
發(fā)展史
無線電源的概念由來已久。致力于電力研究的發(fā)明家尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)于 1891 年演示了洲際無線電力傳輸,進而確定了我們大部分的現(xiàn)代生活方式,這一試驗令人震驚但又有些時運不濟。特斯拉曾嘗試證實邁克爾·法拉第(Michael Faraday)在 1831 年發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)原理:借由流經(jīng)一根電線的電流使得附近的另外一根電線中產(chǎn)生電流。
特斯拉的觀念非常超前,時至今日人們還在研究長距離無線電力傳輸,但仍無法實現(xiàn)。然而短距離無線電力傳輸(或稱為無線充電設(shè)備、系統(tǒng)或技術(shù))卻能得以實現(xiàn)。自 1990 年至今,最常見的家用無線充電系統(tǒng)包括可再充電電動牙刷和剃須刀。還有不太常見的生物醫(yī)學植入片,該裝置利用磁感應(yīng)技術(shù)將電力安全地傳輸?shù)綈毫佣舾械呐R近環(huán)境如人體內(nèi)。
Qi無線充電技術(shù)
Qi(發(fā)音為“Chee”)無線充電技術(shù)為當今領(lǐng)先的充電技術(shù),致力于為無線充電板與任何配備相應(yīng)產(chǎn)品的移動設(shè)備間的互操作建立國際標準,半導(dǎo)體供應(yīng)商、手機制造商和無線服務(wù)提供商于 2008 年組建了一個由近 200 家公司組成的無線充電聯(lián)盟(WPC),并于 2009 年發(fā)布了 Qi 開放式標準。自此之后,已提供了超過 350 種兼容 Qi的設(shè)備。Qi 無線充電板都有現(xiàn)貨供應(yīng),也可從亞馬遜或易趣等網(wǎng)上商城在線購買。同時提供了后市場接收器套來支持移動設(shè)備進行 Qi 無線充電,包括 Samsung Galaxy S3 和 S4。此外,制造商也開始將 Qi 技術(shù)直接集成在一些設(shè)備中,如 Nokia Lumia 920、Google Nexus 4、LG Optimus LTE2 以及 Panasonic Eluga 手機。事實上,WPC 早在 2012 年 9 月就宣布,已交付了 850萬集成Qi 技術(shù)的手機。
現(xiàn)在我們從 Qi無線充電系統(tǒng)的價格方面進行考量。Qi 單座定位充電板(對位于特定位置的一款移動設(shè)備充電)可能需要花費 30 到 50 美元。Qi 單座自由定位充電板(移動設(shè)備無需鎖定在某個特定位置)價格稍高些。而 Qi 三座自由定位充電板價格大約為 75 美元。而 Qi 充電套價格低至 5 美元。這些價格相對于 Qi 支持的電子設(shè)備而言還是可承受的。
無線充電標準之推動因素
對于客戶而言,無線充電標準的主要優(yōu)勢是互操作性。用戶只需購買一臺無線充電板,即可為各種家用移動設(shè)備充電。用戶在當?shù)氐目Х瑞^享受著免費 Wi-Fi 的同時,還可以利用無線充電(一項新興服務(wù)),而不用擔心設(shè)備是否存在兼容性問題。標準化技術(shù)的商業(yè)擁護者認為,這將消除用戶對無線充電技術(shù)的疑慮并促進其被廣泛采納。
標準與專用協(xié)議之爭
Qi 技術(shù)基于充電器(發(fā)射器)線圈和移動設(shè)備(接收器)線圈間的電磁感應(yīng)原理,這就必然存在一些要求和約束,即,1) 每個接收器必須有一個對應(yīng)的發(fā)射器,2) 為了能正常工作并最大化電力傳輸,兩個線圈間允許的最大距離僅為 4 cm(1.6 英寸),3) 接收器必須位于相對于發(fā)射器的特定位置,雖然 Qi 通過利用 3 到 8 個發(fā)射器線圈能夠支持自由定位充電板上的設(shè)備。Qi 標準的這些限制促進了新標準形式的出現(xiàn),每個標準都推出了新的方法,看似解決了某些關(guān)鍵問題。
目前有三個標準組織,在角逐采用電磁耦合的無線充電領(lǐng)域的主宰地位。除了現(xiàn)有的 WPC,還有 2012 年 3 月成立的電力事業(yè)聯(lián)盟(PMA)和 2012 年 5 月成立的無線電力聯(lián)盟(A4WP)。PMA 的 Power 2.0 技術(shù)采用電磁感應(yīng)原理,工作方式與 Qi 非常類似,主要優(yōu)勢在于其軟件允許星巴克和麥當勞等熱點供應(yīng)商監(jiān)視并控制充電站的使用情況。A4WP 的 A4WP v1.0 標準采用 Qualcomm 開發(fā)的 WiPower 技術(shù)。WiPower 利用了不同于電磁感應(yīng)的磁共振原理,其工作頻率高于 Qi 和 Power 2.0.
磁共振說明了兩個以同一頻率工作而產(chǎn)生共振的線圈間的電量傳輸情況。當發(fā)射器和接收器端以同一頻率振動時,接收器會從發(fā)射器產(chǎn)生的電磁場獲得能量,并將其轉(zhuǎn)換為電流來為移動設(shè)備供電或充電。磁共振充電的優(yōu)勢為:1) 即使在穿越障礙物或物體表面時,充電范圍也可達數(shù)英寸或更遠,2) 可同時對充電板上的多臺設(shè)備充電,3) 充電板上接收設(shè)備的定向和定位功能非常靈活。A4WP 的擁護者將這些優(yōu)勢稱為“自由空間”( spatial freedom)。
有些公司是專用協(xié)議(有時是標準協(xié)議之補充)的擁護者,或可能擁有許可權(quán)。Intel、Apple 以及 WiTricity(由 Toyota、Mitsubishi 以及 Delphi 自動化行業(yè)巨頭提供支持)即為其擁護者,每家公司都擁有雄厚的實力,并具有一定的市場影響力。表 1 進一步闡述了這三個采用電磁耦合的主要無線充電標準間的差異。
WPC | PMA | A4WP | |
全稱 | 無線充電聯(lián)盟 | 電力事業(yè)聯(lián)盟 | 無線電力聯(lián)盟 |
標準 | Qi | Power 2.0 | WiPower /A4WP v1.0 |
基本技術(shù) | 磁感應(yīng) | 磁感應(yīng) | 磁共振 |
距離 | 4 cm (1.6 英寸) | 與 Qi相似 | 數(shù)英寸或更遠 |
自由定位充電板上的設(shè)備 | 否(采用發(fā)射器線圈陣列時,可以) | 否(采用發(fā)射器線圈陣列時,可以) | 是 |
對多臺設(shè)備充電 | 否(采用多個發(fā)射器時,可以) | 否(采用多個發(fā)射器時,可以) | 是 |
電源頻率 | 100 – 205 kHz | 277 – 357 kHz | 6.78 MHz |
通信頻率 | 100 – 205 kHz | 277 – 357 kHz | 2.4 GHz,ISM 頻帶 |
接收功率 | 高達 5W(現(xiàn)在), 高達 120W(即將) | TBD | 3.5W(2類)、6.5 W(3類)、其他類別(TBD) |
目標充電應(yīng)用 | 智能手機、小型設(shè)備(現(xiàn)在)、平板電腦、筆記本電腦(即將) | 供應(yīng)商熱點 | 多功能手機、智能手機(現(xiàn)在)、平板電腦、筆記本電腦(即將)、電動車(未來) |
成員數(shù) | 179+ | 105+ | 65+ |
認證產(chǎn)品 | 364 | 0 | 0 |
創(chuàng)始成員 | 各類公司 | Powermat和Proctor & Gamble | Qualcomm、Samsung和 Powermat |
主要支持商 | HTC、Nokia、Sony和Verizon Wireless | AT&T、Duracell和Starbucks | WiTricity和Intel |
表1:無線充電技術(shù)競爭標準之比較
最新發(fā)展:標準整合與混合模式解決方案
近期無線充電標準的整合性嘗試,成為了大家密切關(guān)注的焦點。2012 年成立的 A4WP 的創(chuàng)始成員Qualcomm,出人意料的加入了 WPC(2013 年 9 月 2日)和 PMA(2013 年 10 月 1 日)陣營,正式開啟了這一整合嘗試。Qualcomm 此舉是為了鼓勵 WPC 和 PMA 利用 A4WP 在磁共振技術(shù)領(lǐng)域的成果。在 PMA,Qualcomm 欲與 WiTricity(其專有技術(shù)基于磁共振)共同創(chuàng)立一個工作小組,來定義“雙模式”規(guī)范以密切支持磁感應(yīng)和磁共振技術(shù)。WPC 已在著手研究其獨有的磁共振形式,以便支持遠距離發(fā)射器和接收器,也會樂于采納這個專家級的意見。
芯片供應(yīng)商熱衷于混合模式解決方案的理念。Integrated Device Technology (IDT) 提供了IDTP9030無線電源發(fā)射器 IC和 IDTP9020無線電源接收器,這兩款器件均能夠進行“多模式”操作,支持 Qi 標準和專用格式,以增加功能、改進安全性并提高功率輸出能力(高達 7.5W)。動態(tài)轉(zhuǎn)換可實現(xiàn) Qi 和專用模式之間進行的無縫轉(zhuǎn)換。
Qi規(guī)范擴展
目前僅發(fā)布了 Qi 低功率規(guī)范,該規(guī)范能夠最高提供 5W 的能量支持移動手機和其他小型設(shè)備。WPC 正致力于公布 Qi 中等功率規(guī)范,以提供最高 120W 的能量來支持平板電腦、筆記本電腦和便攜式鉆機等大型設(shè)備。
提升效率
通常來說,基于電磁耦合原理的無線充電技術(shù)急需解決較為廣泛的基礎(chǔ)性問題,即,由于傳輸電力時發(fā)射器與接收器間的氣隙造成的損耗,固有功率會低于通過插入墻上插座或 USB 獲得的能量。此類系統(tǒng)的效率通常約為70%。通過精心設(shè)計、更好的屏蔽和高質(zhì)量驅(qū)動元件以及利用超薄線圈來降低傳輸損耗的新技術(shù),有可能將效率提升至 80% 到 85%。
相對于有線電力而言,低功率移動配件充電應(yīng)用更易接受此功率較小的無線電力。但損失的功耗以熱的形式釋放,為高功率應(yīng)用帶來了安全性問題。功耗同時也意味著能量的損失,對于環(huán)保人士或我們的成本而言是一種浪費。因此,目前來說為大型電子設(shè)備(如電視機、冰箱等)進行無線供電是不太現(xiàn)實的。
對于電動車輛(EV)充電市場,能量損耗即意味著延長充電時間。無線充電要贏得電動車輛市場,其電池充電時間就必須低于充滿油箱所用的時間。HEVO(Hybrid & Electric Vehicle Optimization)已構(gòu)思通過提供內(nèi)置在停車位的磁共振充電站避免此類問題,其愿景是對 EV 充電就如停車一樣簡單。駕駛員只需選擇配備了 unobtrusive HEVO 技術(shù)的停車位(類似于井蓋)并停車。HEVO 的免費應(yīng)用將指導(dǎo)如何正確充電并處理移動付費問題。而汽車需配備一個接收器,因 HEVO 并未提供此裝置。HEVO 計劃于2014 年在紐約率先進行部署。RnRMarketResearch預(yù)測今天擁有 170 萬美元的 EV/無線汽車充電市場,在 2019 年的市場規(guī)模將達到 46 億美元。
近場通信(NFC)
NFC 已在無線電力領(lǐng)域占有了一席之地。例如,在 2013 年消費電子展 (CES) 上,恩智浦半導(dǎo)體演示了在一個充電板上支持兩種充電標準的無線充電技術(shù),同時還展示了 NFC 可用于觸發(fā)充電板并告知支持標準的功能。
當前市場還在著力于將無線電力傳輸技術(shù)與 NFC 相結(jié)合來為小型設(shè)備供電,其愿景是當 NFC 設(shè)備放置在支持的筆記本電腦上時將能夠接收電量。因此,仍需要技術(shù)開發(fā)工作,包括優(yōu)化當前 NFC 天線設(shè)計,以提高無線電力傳輸。還需修改 NFC 標準以支持無線電力。
發(fā)展前景
無線充電技術(shù)并不單單是業(yè)績導(dǎo)向型行業(yè),因此我們很難預(yù)測到其發(fā)展前景。市場營銷和經(jīng)濟(知識產(chǎn)權(quán)和許可)動因也同時駕馭著其發(fā)展方向。此外,很多涉足這一領(lǐng)域的公司都是行業(yè)巨頭,也能隨時轉(zhuǎn)變其發(fā)展方向。
還有其他從電磁技術(shù)中分離出來的無線電力技術(shù)有待開發(fā),如超聲波或光伏等。
眾所周知,無線電力的便利性成為人人趨之若鶩的關(guān)鍵所在,我們正致力于努力尋找更新、更好、更小、更快且更具成本效益的無線電力解決方案。
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