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无线充电技术的背后原理和知识
文章来源:永阜康科技 更新时间:2018/2/7 13:23:00

每次要帮手机、电脑,或者其他各种电器充电时,总是要接一条充电线,充电线一多,还常常接错,实在非常麻烦。幸好,现在愈来愈多的电子产品,开始使用无线充电的技术了!只要优雅的将手机放在一个小小的、像杯垫一样的东西上面,不必接线就能轻松充电,这么厉害的科技背后有什么原理呢?让我们一起来探究其中奥妙。

 

电与磁的交互作用
一般见到的无线充电,运用的是电流磁效应和电磁感应的原理。1819 年,丹麦科学家厄斯特观察到一段导线上如果通有电流,四周将会产生磁场,可以让指北针偏转。后人则进一步发现,将导线围成环状,甚至绕成线圈,产生的磁场将会更强、更集中,这称为电流磁效应。

至于电磁感应,则是在 1831 年由法拉第发现的。让一块磁铁或其他的磁场来源靠近一段没有电流的线圈,线圈上就会产生感应电流,称为电磁感应。值得注意的是,电磁感应的成立要点是磁场要有变化,例如磁铁愈来愈靠近 (愈来愈远离其实也可以)。外加磁场若是一直保持不变,是不会有感应电流的。

总而言之,电流磁效应就是电流的流动在四周产生磁场,电磁感应则是不断变化的外加磁场使线圈产生感应电流。

利用电磁感应来充电

这两种物理现象同时运用,就可以进行无线充电。目前的无线充电设备,都包含一个充电座,里面其实正是线圈。将充电座接到家用插头后,线圈周围会因为电流磁效应而产生磁场。要充电的电子产品,里面也都有一个线圈,当它靠近充电座时,充电座的磁场将透过电磁感应,在电子产品的线圈上产生感应电流。感应电流导引到电池,就完成了充电座和电子产品间的无线充电。

你可能会问,磁场不是要改变才能有电磁感应吗?可是充电座与充电的对象距离却始终保持不变,这样为何会有电磁感应呢?原来,家用插座中流出的电是交流电,也就是说电流的方向不断的交替变化,一会儿顺着流,一会儿反着流。正因为如此,充电座线圈产生的磁场随之不断在变换方向,并非保持不变,符合电磁感应的要件。

近来愈来愈多智慧型手机、平板电脑开始提供无线充电的功能,但是不幸的是,它们充电的时候,只要离充电座的距离稍远一些,充电效率就会明显下降。即便是最新的技术,充电距离也不能超过5公分,事实上,目前绝大部分可以无线充电的行动装置,都是要完全平放在充电座上才能进行,和想像中随走随充的无线充电仍有点差别。

利用共振拉长充电距离
为了增加无线充电的距离与充电效率,科学家正在设法利用磁共振的原理进行无线充电。在电路中加入一些电容、电感等特殊的元件,适当连接后,会形成谐振电路。这就好像乐器行一定会有的调音工具──音叉一样。轻敲音叉一次,它可以持续振动一段时间,同样的,对谐振电路短暂通电,电路中也会产生维持 一段时间的讯号。

音叉具有共振这种有趣的物理性质。每支音叉都有自己的发声频率,当一支音叉振动发声时,若附近有另一支发声频率相同的音叉,即使它没有直接受到敲击,也会跟着振动。音叉的共振可以说达成了能量的传递。谐振电路也可以共振,两个振动频率相同的谐振电路放在一起,其中一个开始因为通电而振荡时,另一个电路也会跟着振荡起来,自动产生电流,电能就这样被隔空传送了。这样的现象称为磁共振,用来进行无线充电,可以让充电距离达到数公尺,效率也有所提升。唯一的困难就是,要将两个电路调整到一模一样的频率,并且维持一段时间,并不是容易的事。

除了磁共振之外,也有科学家尝试借由雷射光的光能来充电,甚至是将电能透过和家用的 Wifi 网路相近的电波频段来传送。希望这些技术的突破,能让我们未来在充电时更加方便!

以苹果、三星、中兴通讯等为代表的企业在消费电子、电动汽车领域对无线充电的实践应用将加速千亿市场开启。日前,有媒体报道称,虽然此前iphone7拥有无线充电功能的预言没有实现,但2017年的苹果新机将大概率拥有无线充电功能,与此同时,根据目前企业布局无线充电的情况来看,2017年无线充电不仅在消费电子领域有所突破,在国内电动汽车领域,无线充电也将迎来较大发展契机。无线充电前景无限,那么一起来盘点一下无线充电新技术吧!

1、超声波无线充电:有效范围接近5米
一家名叫uBeam的公司发明了一种全新的无线充电模式,可以利用超声波将电力隔空输送到15英尺(约合4.6米)外的地方。有了这样的产品,只要使用专用的无线充电套,你就可以在充电的同时拿着手机在屋里走动。尽管uBeam的原型产品还比较笨重,但该公司正在努力缩小体积,尽快推向市场。据悉,已经有多家公司希望与uBeam达成战略合作,为顾客提供这种无线隔空充电服务,以便吸引更大客流,包括星巴克、维珍航空、喜达屋酒店以及多家快餐连锁。除此之外,uBeam还与苹果和三星等硬件厂商展开了沟通。

风险投资家似乎也从中看到了机会:知情人士表示,该公司希望寻求总额5000万美元的B轮融资,估值有可能达到或超过5亿美元。但uBeam拒绝对此置评。该公司去年10月获得了由Upfront Ventures领投的1000万美元A轮融资,之前还曾获得了Andreessen Horowitz和Founders Fund等公司的320万美元种子投资。之前有很多公司都尝试过真正的无线充电,但多数都以失败告终,最终只实现了磁共振充电。这种模式必须将设备靠近发射器,甚至直接与发射器接触,所以并没有较插电式充电实现重大突破。

uBeam早期原型机

然而,众多大牌投资者的背书表明,uBeam的无线充电模式可能具备巨大潜力。具体而言,uBeam使用的是超声传导技术,发射器通过插座或建筑物的电力系统取电,然后将其转换成超声波,再将震动发射到内置接收器的设备——例如配备无线充电套的手机,接收器之后负责将超声波震动转换成电力,为移动设备充电。

uBeam表示,这种模式的充电速度与直接使用传统电源类似。

这种超声波隔空充电方式有几大优势。首先,这种技术非常安全,它使用的超声波与监测胎儿时使用的超声波类似。另外,接收器的价格也很便宜,大约只需50美元,甚至更低,而且体积小巧。不仅如此,这些超声波还可以用于传输数据,因此uBeam还可以在物联网领域发挥作用。

但最吸引普通用户的还在于,该种技术的有效范围大约为15英尺,对移动中的设备同样有效。虽然智能手机已经在体积和性能上实现了重大进步,但电池续航能力仍未得到太大改观,这不仅有损了用户体验,还阻碍了整个移动经济的发展。因此,uBeam的技术可能对整个行业形成促进。苹果和三星等科技巨头都在努力解决充电问题,但却迟迟未有进展。因此,他们有可能洽购uBeam。由于uBeam持有多项重要的无线充电专利,这些巨头可能会溢价收购该公司,避免重要技术落入竞争对手之手。

从长期来看,倘若uBeam的无线充电协议果真实现应有的潜力,意味着电线将会逐渐消失。不仅是手机,其他各类用电设备也都将使用这种技术。需要明确的是,uBeam仍在克服一些严峻的技术挑战,最终的产品可能无法在价格、功率、速度和安全方面达到预期。不过,倘若真能实现市场预期,便会成为一项革命性的技术,这也正是投资者梦寐以求的结果。

2、无线充电新技术:微软拟利用聚焦光线来充电
如果你的智能手机在白天就出现了电量耗尽的情况,一般人们都会感到烦恼,大多数人的解决方法就是尝试记住在晚上要为他们的设备充电。即使是这样 做,有时也不够人们日常使用,全天充电有时是很有必要的,为此微软研究院已经制定出了一个潜在的解决方案:AutoCharge。
微软研究人员们描述AutoCharge是一种自动定位桌子上的智能手机,并为它们充电的技术。他们制造的原型充电器可以被安装在天花板上,有两个工作模块:一个监测模块,其采用的是微软的Kinect摄像头,可以扫描像智能手机样子的物体;另一个是充电模式,采用了UltraFire CREE XM-L T6来聚焦LED光线。
该AutoCharge系统采用了基于图像处理来监测和追踪桌上的智能手机,并自动为智能手机充电。充电器会不断地旋转,直到它检测到一个看起来像智能手机的物体,之后将使用太阳能发电技术所产生的光束为智能手机远程充电。换句话说,就是无需电线。

AutoCharge通过蓝牙或手机上的LED和智能手机建立连接。这确保了当电池充满电以后可以停止充电,以及确保那些大小和形状与智能手机类似的物体不能被充电。该系统在识别到有物体出现在了它和智能手机之间,对充电造成干扰时,还可以在50毫秒内自动关闭。
智能手机对于宽带无线通信、图像处理等多方面的需求导致实际耗电呈指数增长。未来5G通信带宽将比4G增加10倍,4K/8K等高清视频技术逐渐应用,CPU、GPU等运算电路处理能力不断增强,这一切都将导致智能手机整体能耗需求将成指数增长。
电池容量呈线性缓慢增长,能耗需求缺口逐渐拉大。电池技术迟迟无法突破,成为终端使用的最大瓶颈。电池容量增长缓慢,每年线性提升约15%,而能耗则是呈指数增长,能耗需求与电池性能的差距愈发明显。电池性能曲线将与能耗需求曲线严重脱轨,提高充电速度成为电池续航的关键解决方案,快速充电已成为市场竞争热点。
一、快速充电原理
快速充电技术将成为手机标配。在电池容量无法迅速取得突破,手机用电量又飞速增长的前提下,快速充电技术普及尤为必要。中国信息通信研究院对快速充电的定义是:30分钟充电进入电池的平均电流大于3A或者30分钟充电电量大于60%。
快速充电系统包括快充标准,快充电源适配器,接口E-marker芯片,充电线缆,手机快充芯片,电池等多个部分。各部分都必须针对不同标准专门设计,才能实现快充功能,并且保证充电安全。

1、 手机的四个充电环节
1)充电适配器
充电适配器的任务是把220V的市电转换为手机能够承受的5V电压(现在应各种充电协议,如QC和USB PD(Type C接口)等的要求,也要求能够送出9V/12V/14.5V甚至20V的电压。关于充电协议的话题我们已在前面一篇公众号做过讨论),同时具有一定的功率输出能力,例如5V/2A, 9V/1A等等规格。充电适配器属于AC-DC的技术范畴,平常所说的快充芯片其实是对适配器AC-DC芯片和手机端的开关式充电管理芯片(以 DC-DC技术为实现手段)的统称,但本文的快充芯片特指手机端的开关式充电管理芯片。
2)充电线缆
充电线缆的任务就是负责把电压/电流从适配器端传送到手机端,由于目前绝大多数充电线实际上就是USB线。这里有一个参数需要提请大家注意。按照USB2.0的标准,线缆需要具备传送最大1.8A的电流能力,因此如果是5V的适配器,USB2.0的线缆最大能传送的功率其实只有9W。
3)快充芯片
它的任务是把适配器的5V/9V/12V等电压转换成电池的电压,同时按照需要的充电电流精确可控地向电池进行充电。从技术上看,快充芯片是这四个环节中最具有挑战的部分,因此目前业界有能力提供高品质高可靠性的快充芯片的厂家十分有限,主要还是以德州仪器,仙童半导体等少数几家国外大厂为主,国内的希荻微电子、汉能经过几年坚持不懈的自主研发,已推出了一系列的快充芯片,打破了国外大厂的垄断局面,并已在各大手机方案商和品牌商得到广泛的应用。快充芯片具体的介绍将在下文做详解。
4)电池
电池是这个环节非常重要的部分,整个充电环节都是为了使电池快速而安全地充满电量。电池的主要参数包括:容量(mAH,手机中常见的有2000mAH, 3000mAH和4100mAH),充电截止电压(目前常见的有4.2V, 4.35V和4.4V规格,更高的充电截止电压,在同等的电池体积情况下,通常具有更高的电池容量,因此目前所谓的4.35V及以上的高压电池逐渐在手机上得到更广泛的应用),以及可接受的最大充电电流等等。其中,可接受的最大充电电流一般以nC来表示。例如一个3000mAH的电池,1C的充电速度是指一个小时之内即可充满电池,此时可接受的最大充电电流就是3A;如果允许2C的充电速度,那么理论上半小时就可以充满电池,则此时可接受的最大充电电流即为6A;以此类推等等。

二、 经典的三段式充电
其实给锂离子电池充电的过程和我们生活中用水龙头向洗脸盆放水的过程非常类似:
第一阶段:当开始给一个空的脸盆放水的时候,为了不让水溅出来,会把水量控制得很小;第二阶段:等到脸盆底部积满了一定水位之后,才把水龙头开得比较大,脸盆里已有的水可以对这样急速的进水起到缓冲作用,从而不会有水花溅出;第三阶段:当水位快到脸盆顶部的时候,此时我们又会逐渐减小进水量,以防止有水冲出脸盆之外,直至积满整个水盆。
电池就像这个脸盆,只不过它储存的不是水,而是电荷。电池的充电也有类似的三个阶段:
第一阶段:涓流充电。电池的特点是,当电池电压(大致相当于水位)非常低的时候,其内部的锂离子活动性较差,内阻较大,因此只能接受较小的充电电流(一般在30到50mA左右),否则电池容易发热和老化,不仅损害电池寿命,而且有潜在的安全问题,因此把这个阶段称为涓流充电,也有同行将之称为线性充电或者预充电等等。
第二阶段:恒流充电。当电池电压高于2V以上,电池的锂离子活动性被充分激活,内阻也较小,所以能够接受大电流的充电。在这个阶段,快充芯片会按照设定向电池提供可接受的充电电流,因此在这个阶段电池得到的电量也是最大的,可以占到容量的70%到80%以上。
第三阶段:恒压充电。电池是一个十分娇气的储能元件,它的电池电压不允许超过截止电压的±50mV,否则就会有安全隐患。因此,当电池电压被充到接近充电截止电压的时候,快充芯片必须能够自动减小充电电流,控制“水花”不要超出范围,直至把电池完全充满。
一个合格的快充芯片,必须能够根据电池电压的高低,自动地控制充电过程在上述三个阶段之间进行无缝切换,而无需其他硬件或者软件的帮助。

 
 
 
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