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充電的革命:無線充電原理及前景


無線充電原理

  無線充電是指內(nèi)置電池的設備、裝置,透過無線感應的方式取得電力而進行充電。無線充電技術,源于無線電力輸送技術,其工作原理利用的是法拉第電磁感應,當電流通過線圈之后,便會產(chǎn)生出磁場;而產(chǎn)生的磁場又會形成電壓,有了電壓之后便會產(chǎn)生電流,有了電流便可以充電。

  實現(xiàn)無線充電主要通過以下三種方式:電磁感應,無線電波,電磁共振

  目前最為常見的無線充電解決方案是:電磁感應,通過初級和次級線圈感應產(chǎn)生電流,從而將能量從傳輸段轉移到接收端,該解決方案提供商包括英國Splashpower、美國WildCharge和Fulton Innovation等公司?;陔姶鸥袘淼臒o線充電技術產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最為成熟。電磁感應式無線充電系統(tǒng)中有三大核心技術:諧振控制、高效能功率傳輸以及數(shù)據(jù)傳輸。幾個關鍵技術問題直到近年才有解決方案,且解決方案還在不斷的演進中。

  電磁感應式無線充電

  電磁感應式無線充電技術已經(jīng)量產(chǎn)且經(jīng)過安全與市場驗證,在生產(chǎn)成本上電磁感應式技術的產(chǎn)品低于其它技術,未來幾年內(nèi),在消費類電子產(chǎn)品領域中該類產(chǎn)品將呈倍數(shù)成長。作為新技術的初級階段,電磁感應的缺點非常明顯,就是距離太短。隨著距離的增加,充電過程中的電能損耗將變得非常大。

  無線電波式無線充電

  無線電波也叫電磁波,是人們非常熟悉的東西,我們現(xiàn)在的廣播、電視等現(xiàn)代通信技術都采用無線電波技術作為基礎,它同時能傳輸電能,特別是微波,通過硅整流二極管天線將微波轉換成電能,轉化效率能達到 95% 。

  無線電波式無線充電是另一個發(fā)展較為成熟的技術,其基本原理類似于早期使用的礦石收音機。該領域的代表公司Powercast表示,其最終研制的微型高效接收電路,可以捕捉到從墻壁彈回的無線電波能量,在隨負載作出調整的同時保持穩(wěn)定的直流電壓。

  無線電波目前的技術仍然無法實現(xiàn)長距離有效傳輸,當電磁波能量越集中時,方向性才能夠保證,像激光在空間傳輸要受到空氣和塵埃的折射,導致能量轉移率極低。

  電磁共振式無線充電

  電磁共振是一種尚在研究中的技術。共振是一種非常高效的傳輸能量方式,兩個振動頻率相同的物體之間可以高效傳輸能量,而對不同振動頻率的物體幾乎沒有影響。

  我們小時候都知道這樣一個故事,高音歌唱家的音高到達某種頻率時,會震碎玻璃杯,這就是共振時的無線能量傳輸作用.而它的關鍵在于“共振”。這種非輻射電磁場的范圍比較有限,目前也只在短距離內(nèi)采用,不適合長距離傳輸電能。但在距離電源幾米的范圍效果還可以。


無線充電價值和意義

  電是人類近幾個世紀來最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。電的發(fā)現(xiàn)和應用,讓人類社會進入了一個高速發(fā)展的時代,但人對電的掌握可能微不足道,下一個階段人類還需要運用技術來實現(xiàn)對電的存儲和無線傳輸。

  來到現(xiàn)代,電子產(chǎn)品更是徹底改變了我們的傳統(tǒng)生活。21世紀的今天,琳瑯滿目的電子產(chǎn)品,使我們應接不暇,各種各樣的功能讓我們的生活更加豐富多彩。在這個日新月異的年代,電子產(chǎn)品有著不可替代的地位。我們溝通、談生意、學習,甚至于日常生活都離不開它的幫助。電子產(chǎn)品的計算能力進化速度已經(jīng)將電池技術遠遠的甩開,續(xù)航時間成為了電子產(chǎn)品的真正短板。處理器制程的更新所降低的功耗,不過是將續(xù)航從 3 小時延長到 3.5 小時,而提高電池容量本質上是一種堆料的做法,這兩方面的努力都難稱革命。而無線充電技術的意義在于激發(fā)了我們另一個方向的想象。

  我們?yōu)槭裁匆欢ㄒ媒档凸暮吞岣唠姵厝萘康姆椒▉硖嵘m(xù)航時間呢?我們對于電能的使用應該像 WiFi 一樣,隨時隨地的使用,不必擔心電量不足找不到充電的地方,筆記本這類電子產(chǎn)品應該是永不斷電的,我們只需要支付一定費用,就可以在任何地方給我們的設備充電,或許我們可以憧憬一下幾年之后,電力運營商正在為了爭奪用戶而推出一系列低價的無線充電套餐。

  現(xiàn)在智能移動設備的功能越來越強大,但配備的電池似乎還是無法滿足長時間的使用。當我們在為移動終端進行充電時,是不是在為找不到電源線而煩惱,又或是由于電源線打結攪在一起而抓狂呢?面對日益增多的各種手機線、PC線或Pad線間相互纏繞的囧狀,無線充電技術的逐漸成熟和快速發(fā)展,為我們帶來了輕松無線的便捷應用。對于已經(jīng)厭倦每天用連接線給大量電子產(chǎn)品充電的消費者而言,令人欣慰的是,現(xiàn)在我們終于有擺脫連接線束縛的方式了,可以選擇進行無線充電。雖然目前的無線充電技術有一定的局限,還在持續(xù)完善中,但該技術的發(fā)展前景還是非常值得我們期待的

  無線充電將大大改善我們的生活。無線充電技術得到推廣后,人們只需要一個充電器就可以給所有的設備都進行充電。而且,隨著這項技術的不斷推廣,無線充電發(fā)射器可以在我們生活、居住、工作的每個地方很便利地找到,甚至可以在汽車、飛機上、賓館里、辦公地點安置充電發(fā)射器,這意味著人們不用再隨身攜帶任何電線,即可隨時隨地為自己的電器進行充電。在今年年末或明年年初,無線充電接收器會充分“瘦身”,成為手機產(chǎn)品中內(nèi)置的無線充電接收芯片,只有指甲蓋那么大。目前很多國際知名手機廠商都很支持這一技術,無線充電器也有可能會與手機一起捆綁進行銷售。我們相信,在不遠的幾年內(nèi)無線充電技術將最終走向普通家庭,并給我們的日常生活帶來便利。


無線充電發(fā)展趨勢

  為了消費者的安全以及他們的便利性考慮,相關科研人員先提供了近磁場無線充電技術(即需放在發(fā)射器旁邊),同時,他們也在研究遠距離無線充電,這將是一個新興市場。實際上現(xiàn)在的技術就可以達到3英尺~4英尺的范圍內(nèi)進行有效的電量傳輸,但這還需要經(jīng)過相關組織的驗證。相信未來5到10年,甚至更快,遠距離無線充電就會進入每一個人的生活中。

  未來,不僅是小功率電器,常見的家用電器設備、醫(yī)療設備、電動工具、辦公室電器、廚房電器等都可以實現(xiàn)無線充電了。其實準確的說,應該叫“無線供電”,也就是一邊傳輸一邊使用電能,不需要任何類似于電池的電量存儲設備,更不需要提前充電了。到那時,電線、插線板、電池都可以消失了,你甚至感受不到電的存在,它就像空氣一樣,讓你覺得手到擒來。

  在手機和其他移動設備讓人類脫離了各種電線光纜的困擾之后,汽車將成為下一個被無線技術“解放”的領域。未來幾年,一種無線充電技術將在我們的生活中普及并逐漸取代各種各樣數(shù)碼產(chǎn)品的充電器,它甚至可以為你的電動汽車在街頭充電。無線充電設備將進入越來越多的應用領域,包括手機、便攜媒體播放器、數(shù)碼相機和移動PC。而且這種成功以后將從便攜式電子產(chǎn)品擴大到電動汽車充電中,在街頭設置公用“充電點”,可以為便攜數(shù)碼設備以及電動汽車用戶實現(xiàn)更方便地24小時全天候充電服務。除此之外無線充電器更精巧設計可節(jié)省耗能。雖然無線充電設備的效能接收在70%左右,和有線充電設備相等,但是它的標準具備電滿自動關閉功能,避免了不必要的能耗。而且這個效能接收率在不斷提高,很快將能達到92%。

  無線充電技術成為徹底擺脫高容量高性能電池研發(fā)瓶頸的關鍵技術,其發(fā)展步驟表現(xiàn)在:從最初消費類產(chǎn)品的支持,到家用電器,最終到無線充電汽車,無線充電技術最終實現(xiàn)大型移動設備如電動汽車的小電池設計甚至于無電池設計方案,讓電能成為二十一世紀真正的最廣泛使用綠色能源。

  無線充電對手機、電腦、相機等電子產(chǎn)品而言,只是個錦上添花的新功能,但對電動車產(chǎn)業(yè),卻有可能是啟動整個市場的關鍵。電動汽車無線充電沒有外露的連接器,徹底避免漏電、跑電等安全隱患。采用無線充電,可以將電源和變壓器隱蔽在地下,讓汽車在停車處或街邊特殊的充電點充電。

  眾多電動車廠商都在積極探索這項技術商用的可能。比亞迪早在 2005 年 12 月就申請了非接觸感應式充電器專利。德國、日本等國也十分積極。在德國慕尼黑,早就開始進行家用無線充電的測試。日本豐橋技術科學大學在研究能夠透過 20 厘米厚的混凝土磚塊將電力傳輸給汽車的道路充電裝置。研究下一代無線充電技術的兩家公司 witricity 和富爾頓科技(Fulton Technologies)都贏得了不少主流電動廠商合作伙伴。

  witricity 公司研發(fā)了能夠隔空充電的電動汽車充電器。那是個放置在車庫地上的半米寬的板子—從上面開過去,汽車就開始充電了。Witricity 與許多公司一起合作,把這項技術推向市場。許多汽車制造商對他們的技術感興趣,如奧迪、豐田等。它與 Toyota 簽訂了價值數(shù)百萬的合同來開發(fā)靠電池供電的汽車充電器,并宣布與臺灣的電子產(chǎn)品制造商聯(lián)發(fā)科技(Mediatek)合作來開發(fā)為可移動設備充電的產(chǎn)品。

  另一家新創(chuàng)公司富爾頓科技公司的技術可以穿透幾厘米厚的大理石或車庫地板給電動車無線充電。

  這些技術都比現(xiàn)在已有的感應充電更實用—現(xiàn)在已有的技術能夠讓你在自家車庫為汽車無線充電,但你必須剛好停在特定的位置上,與充電線圈校準。

  目前,阻礙無線感應式充電技術大規(guī)模運用的瓶頸主要是對于輻射的擔憂,因為無線充電會產(chǎn)生強大的磁場。當人或動物位于電動車和充電裝置之間時,有可能帶來電磁傷害。所以確保無線充電系統(tǒng)的安全性也是一個關節(jié)點,在這方面,各家公司還需要大量的測試和改進相關技術。


無線充電市場前景

  今年的諾基亞紐約發(fā)布會上,諾基亞向我們展示了回家以后隨手把手機放上充電墊邊充電邊聽音樂的場景。Lumia920 內(nèi)置了無線充電接收器,不久的將來,在美國本土的香啡繽店面和倫敦希思羅機場都將有無線充電器可用。

  無線充電已從夢想步入現(xiàn)實,從概念變成了商品,未來幾年將在手機、PC、電視、電動汽車等領域引領新風尚的趨勢。無線充電技術具有非常廣闊的市場前景。

  根據(jù)對北美和歐洲市場需求調查報告顯示,北美與歐洲市場對無線充電產(chǎn)品表現(xiàn)出極大的興趣,81%的消費者希望多樣的電子產(chǎn)品可以同時充電。這種需求刺激了無線充電產(chǎn)品市場的快速發(fā)展。早在幾年前,無線充電產(chǎn)品已經(jīng)進入市場,較為大家所熟知的便是iPhone無線充電器,在日本售賣已經(jīng)有一年多時間了,其中包括日立麥克賽爾已經(jīng)推出的符合WPC標準的iPhone系列產(chǎn)品。另外日本NTT DoCoMo公司早在CEATEC2010展會上推出了無線充電手機,并希望在2014年以前該公司推出的所有手機都具備無線充電功能。除了日本廠商以外,目前HTC、摩托羅拉、LG的上市產(chǎn)品中有的也已具備無線充電功能。有分析師預測,2013~2014年將是無線充電器市場的真正拐點,盡管目前無線充電器市場主要集中在日本和歐美地區(qū),但隨著智能設備的增多以及設備功能多樣化需求,它的市占率將得到大幅提升。根據(jù)市場研究機構Marketsand Markets的一份報告,全球無線充電市場將在未來五年內(nèi)獲得井噴式增長,到2017年將形成超過70億美元的市場,而在2011年這一數(shù)字僅僅只有4.57億美元,年復合增長率預計為57.6%。

  無線充電技術備受國際知名手機廠商的重視,未來無線充電器將在手機行業(yè)率先進行大力推廣,并有可能會與手機一起捆綁進行銷售。除了手機行業(yè)以外,目前在開發(fā)的無線充電應用市場還包括家具行業(yè)、電信行業(yè)、汽車行業(yè)、玩具行業(yè)、消費電子領域。根據(jù)市場調研公司iSuppli的數(shù)據(jù)顯示,無線充電設備市場在2013年將達到140億美元的規(guī)模。

  無線充電帶來的效益不僅僅是單個無線充電器市場的發(fā)展,而是無線充電平臺的打造,即公共移動設備充電站將有可能成為現(xiàn)實,它可以讓你在飛機場、麥當勞、咖啡廳等公共場所隨時隨地進行充電。或許有一天,在沒有數(shù)據(jù)線連接的情況下,無線充電器不但能給設備充電,還可以實現(xiàn)同步數(shù)據(jù)和資料傳送功能。而目前的無線充電主要還是接觸式充電,未來還可能是隔空充電,但要實現(xiàn)這些功能,首先要解決的便是充電效率低的問題,而這還需要一段時間。

  中國是世界最大的無線移動通訊市場,對于便捷、易用、互通、兼容的無線充電產(chǎn)品的需求將呈幾何級別增長。無線充電行業(yè)發(fā)展的巨大潛力,也能促進中國企業(yè)積極參與和研究這一市場,有效地提升企業(yè)的產(chǎn)品寬度和競爭能力。中國有強勁的國內(nèi)消費市場和份額巨大的海外出口,預計中國市場的無線充電技術發(fā)展應會很快。如今與此相關的各項核心技術,魯恩科技已經(jīng)全面解決,可以提供整套PCBA及軟件,為成品廠商提供與國際巨頭同臺競技的強大技術支持。

  


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