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國際消費電子展談到的無線充電技術有哪些優勢?

2019-10-14 07:37 ? 次閱讀

全球規模最大的消費科技產品交易會之一的國際消費電子展(CES)大幕在美國拉斯維加斯拉開,在智能手機耗電多、電池續航能力差、充電頻繁的應用背景下,使用平板電腦給手機進行無線充電的產品再次成為展會上的一個亮點。基于多方搜集到的資料,本文從不同角度了解無線充電技術的實質、發展歷程、標準化等方面的情況。

問題1:什么是無線充電技術?

答:一般認為,無線充電技術是完全不借助電線,使電能通過無線方式傳輸,從而為設備充電的一種技術。

問題2:無線充電技術有哪些優勢?

答:無線充電技術一旦普及,將使電子產品擺脫插座和線纜的束縛,有助于解決電氣接口不同或充電器不兼容的問題,從而增強便攜性、美觀性以及使用的安全性。例如2012年9月,諾基亞發布的Lumia 920手機就首次引入了內置無線充電功能,受到了眾多用戶的喜愛。另外,無線充電技術還有可能成為應急供電的一項解決方案。如果未來空間太陽能發電能夠商業化運行,那將有可能實現能源的綠色性,解決地球資源的日益枯竭問題。

問題3:使用無線的形式為設備進行充電的技術的發展歷史是怎樣的?

答:早在1890年,現代交流電系統的奠基者尼古拉?特斯拉就曾提出無線供電的設想。20世紀20年代中期,日本人H.Yagi論述了不利用導線去點亮電燈的輸電方案。20世紀60-70年代之間,美國雷神公司(Raytheon,美國的大型國防合約商)將這一理念變成現實,將頻率為2.45GHz的微波能量轉換為直流電,并通過不斷改進,使得轉換效率提高到50%以上。2000年以后,國際上逐漸掀起了對無線能量傳輸技術的研究高潮。在2009年、2010年的CES上,至少有三家廠商對外展示了無線充電底座,例如Plam Pre公司的無線充電器、Fulton公司的iPhone充電器以及PowerMat公司的首發充電模塊。2013年的CES上,Fulton公司再次演示了使用平板電腦背部為手機充電的新一代產品。

問題4:無線充電技術的原理有哪些?各有什么特點?

答:無線供電(充電)技術主要有三種實現形式,因此原理也不盡相同,這里分別簡要介紹。

形式一:近場耦合式。這一形式通過近場電磁感應實現電能傳輸,是當前工程領域中最為可行的電能傳輸方式,其通過將交變電流在原線圈產生的電磁場耦合到副線圈上,實現無線供電。這種形式傳輸距離非常近(一般小于5mm),主要應用于便攜式消費電子產品、醫療非接觸式產品、無線充電等。

形式二:磁場共振式。這一形式通過非輻射磁場內兩線圈的共振效應實現中距離的無線供電(供電距離一般不超過1m)。2007年美國麻省理工大學的Marin Solijacic研究小組應用廣為人知的電磁場近場理論,實現了幾倍于振蕩器尺寸的傳輸距離的、較高效率的電能傳播,并將其命名為“Witricity”技術。試驗中,該小組使用直徑60cm的銅線圈,通過調整發射頻率使其在10MHz左右發生共振,從而點亮了2米外的一盞60W的燈泡。

形式三:微波輻射式。這一方式通過電波的形式在遠場范圍內采用定向天線或高質量的平行激光束實現遠距離供電(一般認為最遠可實現3.6萬km),在發射端將電能轉化為射頻功率并以可控、低損的方式將其以微波形式輻射出去,在接收端則利用整流天線等裝置將微波能量轉換為直流或交流電能。這一形式主要用于衛星、太陽能發電的傳輸系統等。例如2003年歐盟在非洲的留尼旺島建造了一座10kW的實驗型微波輸電站。

問題5:我國在無線充電技術方面的研究及規定等方面的情況是怎樣的?

答:我國對感應式電能傳輸的研究起步較晚。有研究稱,西安石油學院的李宏教授發表一篇關于感應電能傳輸的綜述性文章拉開國內無線電能傳輸研究的序幕。此后,國內各大電子電力研究機構的研究工作深入開展、進步較快。例如:中科院電工所的嚴陸光院士的課題組進行了深入的理論研究,重慶大學2007年研制了可實現0.6-1.0kW的電能輸出的感應電能傳輸裝置等等。另有眾多研究提出將感應能量傳輸技術應用于同步電機、生物醫學、礦井安全等方面。

我國關于磁場共振式、微波輻射式能量傳輸技術的公開研究資料很少,具體情況有待進一步了解。

另外,我國無線電管理部門尚未批準無線充電技術的頻率應用。

問題6:無線充電技術標準化方面的情況是怎樣的?

答:有研究稱,預計2015年將有超過1億的設備支持這一技術,包括谷歌、三星和LG這些科技大佬都在大力推動自家技術標準,但由于缺乏統一的標準,無線充電技術的產品化進程緩慢。

據了解,無線充電技術目前共有3大陣營。

——電能聯盟(Power Matters Alliance,http://www.powermatters.org/)標準是由Duracell Powermat公司發起的(該公司是由寶潔與無線充電技術公司Powermat合資經營),該標準得到了谷歌、AT&T和星巴克支持。

——諾基亞、LG電子等公司采用Qi(寓意是亞洲地區人民較為篤信的“氣”的傳統觀念)標準。Qi是全球首個推動無線充電技術的標準化組織——無線充電聯盟(Wireless Power Consortium,WPC,www.wirelesspowerconsortium.com)推出的“無線充電”標準,具備便捷性和通用性兩大特征。首先,不同品牌的產品,只要有一個Qi的標識,都可以用Qi無線充電器充電。其次,它攻克了無線充電“通用性”的技術瓶頸,在不久的將來,手機、相機、電腦等產品都可以用Qi無線充電器充電,為無線充電的大規模應用提供可能。2010年9月,無線充電聯盟在北京宣布將Qi無線充電國際標準率先引入中國,原信息產業部通信電磁兼容質量監督檢驗中心也加入該組織。

——三星與其他19家公司則支持 “A4WP”標準。A4WP是無線電能聯盟(Alliance for Wireless Power,www.a4wp.org)推出的標準的簡稱,由美國高通公司、韓國三星公司以及前面提到的Powermat公司共同創建的無線充電聯盟創建。目標是為包括便攜式電子產品和電動汽車等在內的電子產品無線充電設備設立技術標準和行業對話機制。需要指出,A4WP標準“主攻”磁場共振式無線充電技術。

問題7:ITU-R關于無線充電技術研究方面的情況是怎樣的?

答:ITU-R WP1A工作組已經確立了第ITU-R 210-2/1號課題——《無線功率傳輸》,中國將積極參與這項課題的研究,并預計在2013年6月召開的會議上開展相關頻譜工程方面的討論。

結語:本文力求用最簡潔的語言向讀者介紹無線充電技術的有關情況,相關內容謹供參考。鑒于國際上正在對無線充電技術的有關無線電管理方面的問題進行研究,因此也希望本文對相關國內研究機構有所裨益,并積極參加到ITU-R SG1國內的相關研究中去。(本文作者系國家無線電監測中心無線電管理政策研究室副主任)

作者:劉斌

參考文獻:
[1] 《無線充電技術的三大標準:PLA、Qi和A4WP》,iPhone中文網,2012年11月15日。
[2] 《近場無線供電技術研究》,中國通信標準化協會課題報告,2011年11月。
[3]? 國際電信聯盟第一研究組WP1A工作組課題計劃書。

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