【科普】无线充电背后原理详解及几种最新充电技术都有哪些
【科普】无线充电背后原理详解及几种最新充电技术都有哪些
来源：电子发烧友物联网智库 整理发布转载请注明来源和出处------ & 【导读】 & ------无线充电技术在未来有着诸多的应用场景，尤其对于移动设备而言，无线充电技术就会大大提升产品体验，苹果也一直寻求在无线充电领域的技术突破，以期尽快在iphone等设备中使用该技术，那么无线充电技术到底有什么神秘的地方呢？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塬理。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 件是磁场要有变化，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？塬来，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塬理进行无线充电。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。
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无线充电技术及其特殊应用前景
编者按：摘要：对无线充电技术及发展历程作了阐述，并对电磁感应式、磁共振式、无线电波式和电场耦合式等技术原理进行了分析。在目前无线充电技术面临的挑战和机遇状况下，展望了无线充电技术的应用前景，将在医用植入设备、无线传感网和防水密封电子设备等特殊领域将会有更广阔的应用。
　　摘要：对技术及发展历程作了阐述，并对式、磁共振式、无线电波式和电场耦合式等技术原理进行了分析。在目前技术面临的挑战和机遇状况下，展望了技术的应用前景，将在医用植入设备、和防水密封电子设备等特殊领域将会有更广阔的应用。本文引用地址：
　　1　无线充电技术概述
　　无线电技术是信息时代的核心技术之一，无线电用于通信，如无线电广播、无线电报、卫星和微波通信、移动通信和等，大家深谙熟知。然而，无线电既是信息又是能量，它不仅可以承载微弱的通信信息，还可以传输功率较大的能量，如被动式RFID标签的读写过程就是无线电既传输信息又传输能量的一个完美实例。无线充电也是用无线电来传送能量。
　　无线充电技术，即Wireless charging technology，是指具有电池的装置不需要借助于电导线，利用电磁波感应原理或者其他相关的交流感应技术，在发送端和接收端用相应的设备来发送和接收产生感应的交流信号来进行充电的一项技术，源于无线电力输送技术。
　　2　无线充电技术发展历程
　　无线充电技术的研究，源于19世纪30年代，迈克尔&法拉第发现现象，即磁通量变化产生感应电动势，从而在电线中产生电流。
　　但最早的无线电力传输思想是尼古拉&特斯拉(Nikola Tesla) 在19世纪90年代提出的无线电力传输构想和无线输电试验[1,2]，因而有人称之为无线电能传输之父。特斯拉构想的无线电能传输方法是把地球作为内导体，把地球电离层作为外导体，通过放大发射机以径向电磁波振荡模式，在地球与电离层之间建立起大约8Hz的低频共振，利用环绕地球的表面电磁波来传输能量。不过由于财力不足，特斯拉的大胆构想没能实现，这项最有野心的尝试失败。
　　进入二十一世纪，随着便携式消费类电子产品的广泛应用，对无线充电的研究成为一个热点，并进入高峰期。很多研究机构和公司研制并发布了各自的无线充电产品，如无线充电的手机、mp3和便携式电脑等;同时，无线充电技术原理也不断有新的突破。
　　2007年美国麻省理工学院(MIT)的马林&索尔贾希克(Marin Soljacic)等人使用两个直径为50cm的铜线圈，通过调整发射频率使两个线圈在10MHz产生共振，成功点亮了距离电力发射端2 m以外的一盏60W灯泡[3，4]，这个被称为WiTricity装置采用共振原理，开创了磁共振式无线电能传输的先河。
　　2009年，Palm最早将无线充电技术应用在手机上，推出的充电设备&触摸石&，并在拉斯维加斯举行的电子产品展览上展示，它利用原理为手机无线充电，当设备放在垫块上，两个装置会通过内置感应器识别对方，垫块里面的磁铁就会将手机与垫块吸附在一起然后进行充电。
　　3　无线充电的技术原理
　　从具体的技术原理及解决方案来说，目前无线充电技术主要有电磁感应式、磁共振式、无线电波式、电场耦合式四种基本方式。这几种技术分别适用于近程、中短程与远程电力传送。
　　当前最成熟、最普遍的是电磁感应式。其根本原理是利用电磁感应原理，类似于变压器，在发送端和接收端各有一个线圈，初级线圈上通一定频率的交流电，由于电磁感应在次级线圈中产生一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端，如图1所示。PWC联盟发起者Powermat公司用电磁感应式推出过一款WiCC充电卡，与SD卡差不多大，内部嵌有线圈和电极等组件，插入现有智能手机电池旁边即可使用。
　　磁共振式也称为近场谐振式，由能量发送装置，和能量接收装置组成，当两个装置调整到相同频率，或者说在一个特定的频率上共振，它们就可以交换彼此的能量，其原理与声音的共振原理相同，排列在磁场中的相同振动频率的线圈，可从一个向另一个供电，如图2。技术难点是小型化和高效率化，被认为是将来最有希望广泛应用于电动汽车无线充电的一种方式。
　　无线电波式，基本原理类似于早期使用的矿石收音机，主要有微波发射装置和微波接收装置组成。典型的是20世纪60年代布朗(William C. Brown)的微波输电系统[5,6]，其示意图如图3。整个传输系统包括微波源、发射天线、接收天线3部分;微波源内有磁控管，能控制源在2. 45 GHz频段输出一定的功率;发射天线是64个缝隙的天线阵，接收天线拥有25%的收集和转换效率。日本龙谷大学的移动式无线充电系统，也是通过频率为2.45GHz 的微波送电，点亮了行驶中的模型警车的警灯。
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