简析无线充电技术的发展

简析无线充电技术的发展摘要：对无线充电技术的发展做出了简要的介绍与分析。对其基本概念，发展历史与现状，存在的问题与不足之处以及几种不同的现行行业标准做了介绍。无线充电技术是一种与传统充电技术有着很大区别的新兴技术，因其对传统充电技术的便利性，实用性，美观性，环保性的优势，它具有很大的发展空间。现在无线充电技术还处于发展的起步阶段，很多技术还不够成熟，但由于它满足了市场的发展与人们的需求，便越来越得到重视研究，现在也正处于快速发展的阶段。在未来，随着无线充电技术充电效率的提高，充电距离的增大，充电便利性，安全性的提高，充电设备的小型化等，无线充电技术将会日臻完善，最终成为主导未来充电产品与设备的主流技术。关键词：无线充电技术发展行业标准0前言无线充电技术是近年来在各种电子电气设备的迅猛发展与普及的情况下被重视研究的一种充电技术。它与传统的充电技术有很大的区别。它通过无线能量传输的方式为电子电气设备充电，分离开供电设备与用电设备之间的物理连接，这样在提高用电设备的美观，实用性的同时，还可以提高用电设备的安全性。与此同时规范化的无线充电器可以为各种便携式电子产品（如手机，数码相机，PDA-PersonalDigitalAssistant）充电，这样既能节约资源，降低产品的成本，又有利于环保。[1]这种技术的发展在现在还处于刚刚起步的阶段，但由于它的实用性与便利性的优点，它必定将带来电子电气设备发展的一场新的革命。由于人们对新的无线充电设备的需求不断增长，关于无线充电技术的研究在近年来已经进入了快速发展的阶段。并且已经取得了一些初步的阶段性的研究成果。同时，无线充电技术在未来还有很长的路要走，也具有非常大的发展空间。1无线充电技术的基本概念目前无线电能传输主要采取三种方式分别为:电磁感应，无线电波，共振作用。在便携式设备锂电池领域，主要采用的是电磁感应方式来传输电能。对这一概念，人们还缺乏全面而实际的了解。很多人希望它像Wi-Fi一样，只要有Wi-Fi的地方，连接上就能用。理想的情况简单认为就是没有线，到处都可以充电。无论是家里、办公室、酒店、咖啡厅、地铁、机场都能随时连接无线充电网给手机充电。估计几年以后无线充电将覆盖每个领域，无处不在。但现实的情况是无线充电还达不到上面理想的状态，不仅仅是基础设施的问题，而是技术的问题。我们现在的无线充电，充电器和手机的距离一般都在5mm以内（现阶段的Qi标准的无线充电情况），未来的磁共振标准可以做到125px以内（A4WP标准的无线充电情况）。现在阶段的Qi标准的无线充电器需要紧贴且对好充电位置，距离充电位置越远，充电效率越低，具体10mm以上基本上不能充电，上下左右移动范围一般一般只有10mm左右，且偏离中心位置远大，充电效率越低。无线充电的充电效率一般在70%左右，好的可以做到75%左右，差一点的只有65%左右。随着技术的进步，无线充电的距离和充电效率都将会有很大改善。[2]2无线充电技术技术的发展历史与现状无线充电的发展历时比较长久，早在一百多年前著名的物理学家特斯拉就曾设想通过电磁共振的方式来实现无线电能的传输，被人们称为无线电能传输之父。在20世纪60年代初，Raytheon（雷神公司，美国国防工业合作著名企业）的布朗做了大量有关无线电能传输的研究，奠定了无线电能传输的实验基础。[3]近年来，无线充电技术得到了空前的重视，关于无线充电技术的研究也进入了快速发展的阶段。在这其中出现了很多的标志性的事件，有的甚至可以说是具有里程碑式的意义。2007年MIT的一个研究小组利用磁耦合共振的方式研究出了一个令人印象深刻的无线供电研究成果。[4]在这一年6月，美国麻省理工学院的物理学家马林索尔加斯克领导的一个小组宣布，他们成功地利用无线输电技术，点亮了一个离电源约2米远的60瓦电灯泡。与理想目标相比，2米可以说是微不足道，但在近两百年的努力中，这已是令人惊喜的成绩。[5]2009年10月，PluglessPower制造出第一台电动汽车无线充电原型机[6]此后，便不断有令人惊喜的成果传来。美国无线电力公司在2009年的全球科技、娱乐及设计大会（TEDGlobal）上，成功利用线圈共振原理实现无线输电，为两台手机隔空充电，并开启了一台没有接电线的电视机。2010年1月，海尔在第四十三届国际消费类电子产品展览会(CES展)上推出全球首台无尾电视，其中使用了麻省理工学院发明的无线输电技术，利用“磁耦合共振”原理实现无线供电。[7]2010年3月9日第一辆无线充电电动车在韩国的首尔大公园投入使用。[8]与我国常见的电车不同，行驶车辆并不是从车顶的电线或者道路上铺设的轨道来获得电能，只需要在车辆行驶的路面上铺设相应的电感应带，在此路面上行驶的车辆就能获得由电感应带所提供的电能。[4]2010年11月，英国HaloIPT公司给雪铁龙电动车安装上接收垫，用无线方式给电动汽车充电，并计划在2012年投入商用。[9]2012年7月，美国高通公司和法国雷诺公司签署了备忘录，将开发的无线充电技术用于雷诺的EV，并展开了验证试验。[10]2013年1月7日，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。[11]无线充电技术在近年来的快速发展也为无线充电产品的迅速发展与投产奠定了基础。3无线充电技术的优点与不足3.1无线充电技术的优点3.1.1便携式电子设备应用无线充电技术的优点1不需要留有充电用的USB接口，可以提高产品的封闭性，消除进水的隐患。2一个无线充电发射装置能够给多种产品提供充电，尤其是建立统一标准后。[12]3可以给用户提供具有现代感的使用体验。一旦使用无线充电，最为直观的就是人们在使用电子产品的时候就不再需要电线连接产品和充电器，方便用户使用，避免电线打结等让人感觉不舒服的缺陷。此外，人们在外出或者旅游的时候，可以更便捷的携带各种电子产品，而只需要一块充电板。[13]4电子产品的各种接口都是电子产品出现问题的潜在危险。抛开例如手机掉入水中这样人为的损害不谈，即使是正常使用，在某些特殊的环境例如湿度很高或者灰尘很大的环境，水蒸气和尘埃都会透过这些接口进入到电子设备中，这使得电子设备的工作稳定性和生命周期都大大恶化，而使用无线充电技术无疑将提高电子产品在这一类特殊环境中的安全性和稳定性。即使撇开上文所说的这些特殊环境和特殊用途不谈，无线充电最具有指导性的意义是可以使电能这种清洁的能源具备更广阔的使用空间，从而极大的缓解环境污染等世界性问题，而无线充电在材料上的节省也使得相应资源得到最大程度的节约。[14]3.1.2无线充电技术在其他领域应用的优点1在医疗领域的应用。比如一些植入人体内的医疗器件，由于采用了电池供电，当电池用完之后，需要通过手术将器件取出更换电池，这种做法增加了病人的危险。如果医疗器件兼容无线充电，那么就可以在体外给电池充电。[15]2在智能控制领域的应用。例如目前很流行的扫地机器人，如果机器人之中集成无线充电的功能，机器人就无需只有在对准插头后才能充电，只要停在充电器正常范围的上面即可。[16]3在某些比较特殊的应用场合有线充电具有很大的局限性。比如某些具有特定用途的传感器，这些传感器或许会埋在地下，或许会沉在水里，或许会植入墙壁中，利用有线充电对这些传感器充电是很不方便的。[17]3.2无线充电技术目前的不足之处1．成本过高，市场推广比较困难。2．电能利用率比较低，造成能量的浪费。[18]3．技术门槛比较高，需要培养专门的技术人才，设备维修等问题也比较麻烦。4．充电时需要将交流电转化为直流电再转化为高频交流电，最后才能得到可用的直流电，从而可能会带来中高频的辐射问题。[19]而这种辐射是否对人体有害，目前科学界还没有得出一致而可靠的结论，这一问题的存在，也对无线充电技术的应用提出了一个很大的考验。4无线充电技术标准简介2.1Qi无线充电标准Qi是由无线充电联盟(WirelessPowerConsortium,简称WPC)提出的标准,具有便携性和通用型两大特征。WPC是全球首个推动无线充电技术的标准化组织,也是目前世界上最大的无线充电标准组织,其成员包括来自15个不同国家的137个合作伙伴,包括HTC、诺基亚、LG、摩托罗拉、三星等,并已有一百多款搭载Qi技术的设备上市。Qi基于电磁感应原理进行输电,感应耦合电能传输系统的基本结构如图2所示。这个系统由发射器线圈L1和接收器线圈L2组成,两个线圈共同构成一个电磁耦合感应器。发射器线圈所携带的交流电生成磁场,并通过感应使接收器线圈产生电压。2.2PMA无线充电标准PMA标准,全称PowerMattersAlliance,由宝洁与无线充电技术公司Powermat合资经营的DuracellPowermat公司发起,致力于为符合IEEE协会标准的手机和电子设备,打造无线供电标准,目前PMA联盟已经有中兴、黑莓、星巴克、AT＆T、Goole和金霸王等公司加盟。PMA标准通过两种方式来进行充电,一种是透过内建无线充电芯片,另一种则是采用WiCC无线充电卡,这种卡片非常轻薄,使用方法也非常简单,只需要安装在在移动设备的电池上即可,同时WiCC卡也可以作为NFC(近场通讯)天线使用,看上去它让无线充电技术的未来充满了光明。但是WiCC卡也存在缺陷。充电卡的设计使它不能直接用在像iPhone那样无法拆卸电池的设备上。如果要使用WiCC卡,手机制造商们必须在电池添加一个小的连接头,其中两根导线用于充电、两根用于NFC讯号传送、两根用于数据传输。目前美国星巴克所使用的无线充电设备即采用PMA的标准,如果未来手机支持这种无线协议,恰巧你走到咖啡厅将手机直接放到桌子上就能充电。显然这种来自商家的支持是非常重要的。不过普及开来还需要时间。4.3A4WP无线充电标准A4WP标准,全称AllianceforWirelessPower,是由高通公司、三星公司以及Powermat公司共同创建,它的目标主要是建立电子产品之间统一的标准,甚至与电动汽车等相匹配的机制。A4WP标准采用的是“电磁谐振技术”,这是与其他标准最大的不同。相比于Qi,A4WP采用了更大的输出线圈,能同时为多台设备充电。同时由于设定了精确的共振频率,即使微弱的感应磁场也能为设备充电,这意味着A4WP的充电范围将会比Qi大得多,理论上来说隔着物体也可以充电,同时也不需要准确地将设备摆放在充电基座上。和Qi一样,A4WP也可以根据充电设备的数量和缺电状况自动调整能量分配方案,以达到节能的目的。从其特点来看,A4WP要比Qi方便不少,用户不再需要像使用Qi无线充电设备时那样将手机小心翼翼地摆放好,而且由于A4WP的充电范围较大,将会支持一些形状复杂的设备,比如相机。但是效率低下是它的最大弊端,短时间内很难克服[20]。5结论（1）本文主要介绍了无线充电技术目前的发展情况。包括基本概念，发展历史及现状，在产品上的应用情况以及存在的几个不同的市场标准，同时简要分析了无线充电技术的优点与不足，即目前技术发展的瓶颈问题，并对无线充电技术未来的发展做出了简单的展望。本文通过上述几个方面的介绍，可以使读者对无线充电技术有一个简单而较为全面的了解。（2）无线充电技术是近年来新兴的一个热门的研究课题，它对传统充电技术所具有的便利，美观，环保等优势符合未来电子产品的发展方向，也符合人们的使用需求。因此，无线充电技术具有很大的发展空间与市场潜力，是充电技术与产品未来发展的主流方向。参考文献[1]窦延军一种磁耦合谐振式无线充电系统的设计[D].电子科技大学2013[2]关于无线充电技术[J].PAV2014年第三期84-93[3]王晓静基于RFID技术的无线充电系统研究[D].北京邮电大学2008[4]潘力一种锂电池无线充电模块的设计[D].电子科技大学2013[5]《环球》杂志驻纽约记者王艳红无线输电了不起的一小步《环球》杂志2007[6