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关于无线充电技术的现状和未来发展前景分析和

2019/10/20 17:36

  ,无线充电技术终于拉开了产业化的进程,越来越多的设备加入无线充电功能,由于移动设备具备always-on的需求。现在市面上的无线充电系统即可满足这些需▲●…△求,只需将移动设备放置在充电板上即可完成充电,无需最终会出现磨损的微型,无需在暗处摸索着插入充电器,无需帮助孩子插入玩具。是的,这是一类全封闭、完全防水的装置,将手机放在餐厅的充电台上、离开时即可充满电,是如此之方便。事实上,据 IHS 研究报告显示,在 2012 年至少交付了 500 万的无线 年将会有一亿的交付量。当然这不仅仅是指智能手机,还包括 MP3 播放器、数码相机和其他移动电子设备。

  无线电源的概念由来已久。致力于电力研究的发明家尼古拉·特斯拉(NikolaTesla)于 1891 年演示了洲际无线电力传输,进而确定了我们大部分的现代生活方式,这一试验令人震惊但又有些时运不济。特斯拉曾尝试证实迈克尔·法拉第(Michael Faraday)在 1831 年发现的电磁感应原理:借由流经一根电线电流使得附近的另外一根电线中产生电流。

  特斯拉的观念非常▷•●超前,时至今日人们还在研究长距离无线电力传输,但仍无法实现。然而短距离无线电力传输(或称为无线充电设备、系统或技术)却能得以实现。自 1990 年至今,最常见的家用无线充电系统包括可再充电电动牙刷和剃须刀。还有不太常见的生物医学植入片,该装置利用磁感应技术将电力安全地传输到恶劣而敏感的临近环境如人体内。

  Qi(发音为“Chee”)无线充电技术为当今领先的充电技术,致力于为无线充电板与任何配备相应产品的移动设备间的互操作建立国际标准,半导体供应商、手机制造商和无线 家公司组成的无线充电联盟(WPC),并于 2009 年发布了 Qi 开放式标准。自此之后,已提供了超过 350 种兼容 Qi的设备。Qi 无线充电板都有现货供应,也可从亚马逊或易趣等网上商城在线购买。同时提供了后市场接收器套来支持移动设备进行 Qi 无线充电,包括 Samsung Galaxy S3 和 S4。此外,制造商也开始将 Qi 技术直接集成在一些设备中,如 Nokia Lumia 920、Google Nexus 4、LG Optimus LTE2 以及 Panasonic Eluga 手机。事实上,WPC 早在 2012 年 9 月就宣布,已交付了 850万集成Qi 技术的手机。

  现在我们从 Qi无线充电系统的价格方面进行考量。Qi 单座定位充电板(对位于特定位置的一款移动设备充电)可能需要花费 30 到 50 美元。Qi 单座自由定位充电板(移动设备无需锁定在某个特定位置)价格稍高些。而 ▼▲Qi 三座自由定位充电板价格大约为 75 美元。而 Qi 充电套价格低至 5 美元。这些价格相对于 Qi 支持的电子设备而言还是可承受的。

  对于客户而言,无线充电标准的主要优势是互操作性。用户只需购买一台无线充电板,即可为各种家用移动设备充•☆■▲电。用户在当地的咖啡馆享受着免费Wi-Fi的同时,还可以利用无线充电(一项新兴服务),而不用担心设备是否存在兼容性问题。标准化技术的商业拥护者认为,这将消除用户对无线充电技术的疑虑并促进其被广泛采纳。

  Qi 技术基于充电器(发射器)线圈和移动设备(接收器)线圈间的电磁感应原理,这就必然存在一些要求和约束,即,1) 每个接收器必须有一个对应的发射器,2) 为了能正常工作并最大化电力传输,两个线圈间允许的最大距离仅为 4 cm(1.6 英寸),3) 接收器必须位于相对于发射器的特定位置,虽然 Qi 通过利用 3 到 8 个发射器线圈能够支持自由定位充电板上的设备。Qi 标准的这些限制促进了新标准形式的出现,每个标准都推出了新的方法,看似解决了某些关键问题。

  目前有三个标准组织,在角逐采用电磁耦合的无线充电领域的主宰地位。除了现有的 WPC,还有 2012 年 3 月成立的电力事业联盟(PMA)和 2012 年 5 月成立的无线WP)。PMA 的 Power 2.0 技术采用电磁感应原理,工作方式与 Qi 非常类似,主要优势在于其软件允许星巴克和麦当劳等热点供应商监视并控制充电站的使用情况。A4WP 的 A4WP v1.0 标准采用 Qualcomm 开发的 WiPower 技术。Wi◆▼Power 利用了不同于电磁感应的磁共振原理,其工作频率高于 Qi 和 Power 2.0.

  磁共振说明了两个以同一频率工作而产生共振的线圈间的电量传输情况。当发射器和接收器端以同一频率振动时,接收器会从发射器产生的电磁场获得能量,并将其转换为电流来为移动设备供电或充电。磁共振充电的优势为:1) 即使在穿越障碍物或物体表面时,充电范围也可达数英寸或更远,2) 可同时对充电板上的多台设备充电,3) 充电板上接收设备的定向和定位功能非常灵活。A4WP 的拥护者将这些优势称为“自由空间”( spatial freedom)。

  有些公司是专用协议(有时是标准协议之补充)的拥护者,或可能拥有许可权。Intel、Apple 以及 WiTricity(由 Toyota、Mitsubishi 以及 Delphi 自动化行业巨头提供支持)即为其拥护者,每家公司都拥有雄厚的实力,并具有一定的市场影响力。表 1 进一步阐述了这三个采用电磁耦合的主要无线充电标准间的差异。

  近期无线充电标准的整合性尝试,成为了大家密切关注的焦点。2012 年成立的 A4WP 的创始成员Qualcomm,出人▪▲□◁意料的加入了 WPC(2013 年 9 月 2日)和 PMA(2013 年 10 月 1 日)阵营,正式开启了这一整合尝试。Qualcomm 此举是为了鼓励 WPC 和 PMA 利用 A4WP 在磁共振技术领域的成果。在 PMA,Qualcomm 欲与 WiTricity(其专有技术基于磁共振)共同创立一个工作小组,来定义“双模式”规范以密切支持磁感应和磁共振技术。WPC 已在着手研究其独有的磁共振形式,以便支持远距离发射器和接收器,也会乐于采纳这个专家级的意见。

  芯片供应商热衷于混合模式解决方案的理念。Integrated Device Technology (IDT) 提供了IDTP9030无线电源发射器 IC和 IDTP9020无线电源接收器,这两款器件均能够进行“多模式”操作,支持 Qi 标准和专用格式,以增加功能、改进安全性并提高功率输出能力(高达 7.5W)。动态转换可实现 Qi 和专用模式之间进行的无缝转换。

  目前仅发布了 Qi 低功率规范,该规范能够最高提供 5W 的能量支持移动手机和其他小型设备。WPC 正致力于公布 Qi 中等功率规范,以提供最高 120W 的能量来支持平板电脑、笔记本电脑和便携式钻机等大型设备。

  通常来说,基于电磁耦合原理的无线充电技术急需解决较为广泛的基础性问题,即,由于传输电力时发射器与接收器间的气隙造成的损耗,固有功率会低于通过插入墙上插座或USB获得的能量。此类系统的效率通常约为70%。通过精心设计、更好的屏蔽和高质量驱动元件以及利用超薄线圈来降低传输损耗的新技术,有可能将效率提升至 80% 到 85%。

  相对于有线电力而言,低功率移动配件充电应用更易接受此功率较小的无线电力。但损失的功耗以热的形式释放,为高功率应用带来了安全性问题。功耗同时也意味着能量的损失,对于环保人士或我们的成本而言是一种浪费。因此,目前来说为大型电子设备(如电视机、冰箱等)进行无线供电是不太现实的。

  对于电动车辆(EV)充电市场,能量损耗即意味着延长充电时间。无线充电要赢得电动车辆市场,其电池充电时间就必须低于充满油箱所用的时间。HEVO(Hybrid & Electric Vehicle Optimization)已构思通过提供内置在停车位的磁共振充电站避免此类问题,其愿景是对 EV 充电就如停车一样简单。驾驶员只需选择配备了 unobtrusive HEVO 技术的停车位(类似于井盖)并停车。HEVO 的免费应用将指导如何正确充电并处理移动付费问题。而汽车需配备一个接收器,因 HEVO 并未提供此装置。HEVO 计划于2014 年在纽约率先进行部署。RnRMarketResearch预测今天拥有 170 万美元的 EV/无线 年的市场规模将达到 46 亿美元。

  NFC 已在无线电力领域占有了一席之地。例如,在 2013 年消费电子展 (CES) 上,恩智浦半导体演示了在一个充电板上支持两种充电标准的无线充电技术,同时还展示了 NFC 可用于触发充电板并告知支持标准的功能。

  当前市场还在着力于将无线电力传输技术与 NFC 相结合来为小型设备供电,其愿景是当 NFC 设备放置在支持的笔记本电脑上时将能够接收电量。因此,仍需要技术开发工作,包括优化当前 NFC 天线设计,以提高无线电力传输。还需修改 NFC 标准以支持无线电力。

  无线充电技术并不单单是业绩导向型行业,因此我们很难预测到其发展前景。市场营销和经济(知识产权和许可)动因也同时驾驭着其发展方向。此外,很多涉足这一领域的公司都是行业巨头,也能随时转变其发展方向。

  众所周知,无线电力的便利性成为人人趋之若鹜的关键所在,我们正致力于努力寻找更新、更好、更小、更快且更具成本效益的无线电◇=△▲力解决方案。

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