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国际消费电子展谈到的无线充电技术有哪些优势?

2019-10-14 07:37 次阅读

全球规模最大的消费科技产品交易会之一的国际消费电子展(CES)大幕在美国拉斯维加斯拉开,在智能手机耗电多、电池续航能力差、充电频繁的应用背景下,使用平板电脑给手机进行无线充电的产品再次成为展会上的一个亮点。基于多方搜集到的资料,本文从不同角度了解无线充电技术的实质、发展历程、标准化等方面的情况。

问题1:什么是无线充电技术?

答:一般认为,无线充电技术是完全不借助电线,使电能通过无线方式传输,从而为设备充电的一种技术。

问题2:无线充电技术有哪些优势?

答:无线充电技术一旦普及,将使电子产品摆脱插座和线缆的束缚,有助于解决电气接口不同或充电器不兼容的问题,从而增强便携性、美观性以及使用的安全性。例如2012年9月,诺基亚发布的Lumia 920手机就首次引入了内置无线充电功能,受到了众多用户的喜爱。另外,无线充电技术还有可能成为应急供电的一项解决方案。如果未来空间太阳能发电能够商业化运行,那将有可能实现能源的绿色性,解决地球资源的日益枯竭问题。

问题3:使用无线的形式为设备进行充电的技术的发展历史是怎样的?

答:早在1890年,现代交流电系统的奠基者尼古拉?特斯拉就曾提出无线供电的设想。20世纪20年代中期,日本人H.Yagi论述了不利用导线去点亮电灯的输电方案。20世纪60-70年代之间,美国雷神公司(Raytheon,美国的大型国防合约商)将这一理念变成现实,将频率为2.45GHz的微波能量转换为直流电,并通过不断改进,使得转换效率提高到50%以上。2000年以后,国际上逐渐掀起了对无线能量传输技术的研究高潮。在2009年、2010年的CES上,至少有三家厂商对外展示了无线充电底座,例如Plam Pre公司的无线充电器、Fulton公司的iPhone充电器以及PowerMat公司的首发充电模块。2013年的CES上,Fulton公司再次演示了使用平板电脑背部为手机充电的新一代产品。

问题4:无线充电技术的原理有哪些?各有什么特点?

答:无线供电(充电)技术主要有三种实现形式,因此原理也不尽相同,这里分别简要介绍。

形式一:近场耦合式。这一形式通过近场电磁感应实现电能传输,是当前工程领域中最为可行的电能传输方式,其通过将交变电流在原线圈产生的电磁场耦合到副线圈上,实现无线供电。这种形式传输距离非常近(一般小于5mm),主要应用于便携式消费电子产品、医疗非接触式产品、无线充电等。

形式二:磁场共振式。这一形式通过非辐射磁场内两线圈的共振效应实现中距离的无线供电(供电距离一般不超过1m)。2007年美国麻省理工大学的Marin Solijacic研究小组应用广为人知的电磁场近场理论,实现了几倍于振荡器尺寸的传输距离的、较高效率的电能传播,并将其命名为“Witricity”技术。试验中,该小组使用直径60cm的铜线圈,通过调整发射频率使其在10MHz左右发生共振,从而点亮了2米外的一盏60W的灯泡。

形式三:微波辐射式。这一方式通过电波的形式在远场范围内采用定向天线或高质量的平行激光束实现远距离供电(一般认为最远可实现3.6万km),在发射端将电能转化为射频功率并以可控、低损的方式将其以微波形式辐射出去,在接收端则利用整流天线等装置将微波能量转换为直流或交流电能。这一形式主要用于卫星、太阳能发电的传输系统等。例如2003年欧盟在非洲的留尼旺岛建造了一座10kW的实验型微波输电站。

问题5:我国在无线充电技术方面的研究及规定等方面的情况是怎样的?

答:我国对感应式电能传输的研究起步较晚。有研究称,西安石油学院的李宏教授发表一篇关于感应电能传输的综述性文章拉开国内无线电能传输研究的序幕。此后,国内各大电子电力研究机构的研究工作深入开展、进步较快。例如:中科院电工所的严陆光院士的课题组进行了深入的理论研究,重庆大学2007年研制了可实现0.6-1.0kW的电能输出的感应电能传输装置等等。另有众多研究提出将感应能量传输技术应用于同步电机、生物医学、矿井安全等方面。

我国关于磁场共振式、微波辐射式能量传输技术的公开研究资料很少,具体情况有待进一步了解。

另外,我国无线电管理部门尚未批准无线充电技术的频率应用。

问题6:无线充电技术标准化方面的情况是怎样的?

答:有研究称,预计2015年将有超过1亿的设备支持这一技术,包括谷歌、三星和LG这些科技大佬都在大力推动自家技术标准,但由于缺乏统一的标准,无线充电技术的产品化进程缓慢。

据了解,无线充电技术目前共有3大阵营。

——电能联盟(Power Matters Alliance,http://www.powermatters.org/)标准是由Duracell Powermat公司发起的(该公司是由宝洁与无线充电技术公司Powermat合资经营),该标准得到了谷歌、AT&T和星巴克支持。

——诺基亚、LG电子等公司采用Qi(寓意是亚洲地区人民较为笃信的“气”的传统观念)标准。Qi是全球首个推动无线充电技术的标准化组织——无线充电联盟(Wireless Power Consortium,WPC,www.wirelesspowerconsortium.com)推出的“无线充电”标准,具备便捷性和通用性两大特征。首先,不同品牌的产品,只要有一个Qi的标识,都可以用Qi无线充电器充电。其次,它攻克了无线充电“通用性”的技术瓶颈,在不久的将来,手机、相机、电脑等产品都可以用Qi无线充电器充电,为无线充电的大规模应用提供可能。2010年9月,无线充电联盟在北京宣布将Qi无线充电国际标准率先引入中国,原信息产业部通信电磁兼容质量监督检验中心也加入该组织。

——三星与其他19家公司则支持 “A4WP”标准。A4WP是无线电能联盟(Alliance for Wireless Power,www.a4wp.org)推出的标准的简称,由美国高通公司、韩国三星公司以及前面提到的Powermat公司共同创建的无线充电联盟创建。目标是为包括便携式电子产品和电动汽车等在内的电子产品无线充电设备设立技术标准和行业对话机制。需要指出,A4WP标准“主攻”磁场共振式无线充电技术。

问题7:ITU-R关于无线充电技术研究方面的情况是怎样的?

答:ITU-R WP1A工作组已经确立了第ITU-R 210-2/1号课题——《无线功率传输》,中国将积极参与这项课题的研究,并预计在2013年6月召开的会议上开展相关频谱工程方面的讨论。

结语:本文力求用最简洁的语言向读者介绍无线充电技术的有关情况,相关内容谨供参考。鉴于国际上正在对无线充电技术的有关无线电管理方面的问题进行研究,因此也希望本文对相关国内研究机构有所裨益,并积极参加到ITU-R SG1国内的相关研究中去。(本文作者系国家无线电监测中心无线电管理政策研究室副主任)

作者:刘斌

参考文献:
[1] 《无线充电技术的三大标准:PLA、Qi和A4WP》,iPhone中文网,2012年11月15日。
[2] 《近场无线供电技术研究》,中国通信标准化协会课题报告,2011年11月。
[3]  国际电信联盟第一研究组WP1A工作组课题计划书。

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