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無線充電器

無線充電器是指不用傳統(tǒng)的充電電源線連接到需要充電的終端設(shè)備上的充電器,采用了最新的無線充電技術(shù),無線充電技術(shù)在 2007 年獲得了 20 項(xiàng)專利,多種設(shè)備可以使用一臺充電基站、手機(jī)、MP3 播放器、電動工具和其他的電源適配器的有線充電情況將不會存在了。通過使用線圈之間產(chǎn)生的磁場,神奇的傳輸電能,電感耦合技術(shù)將會成為連接充電基站和設(shè)備的橋梁。當(dāng)前的大部分充電器,例如iPod 和iPhone ,都通過金屬電線直接接觸的方式,給設(shè)備內(nèi)置電池充電。無線充電技術(shù)的優(yōu)勢在于便捷性和通用性。缺點(diǎn)就是效率低和只能提供電能。而Apple 的Dock 連接器不僅僅提供電能,同時(shí)還能把音頻和視頻文件通過USB 接口同步到設(shè)備上。不過,無線充電技術(shù)還是會給 WiFi 和電池技術(shù)帶來進(jìn)步的。對于不需要數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備來說,這一新技術(shù)將會大大減少用戶所需各種充電器的數(shù)量。另外,通過采用無線充電技術(shù),公共移動設(shè)備充電站將會有可能成為現(xiàn)實(shí)。

1、相關(guān)報(bào)道

  英國一家公司發(fā)明了一種新型無線充電器,它看上去就像一塊塑料鼠標(biāo)墊,將手機(jī)等放在墊上就能充電,并能同時(shí)給多個(gè)設(shè)備充電。

  據(jù)英國《新科學(xué)家》雜志報(bào)道,這個(gè)“鼠標(biāo)墊”里裝有密集的小型線圈陣列,可產(chǎn)生磁場,將能量傳輸給裝有專用接收線圈的電子設(shè)備,進(jìn)行充電。接收線圈由磁性合金繞以電線制成,大小和形狀都與口香糖相似,可以很方便地貼在電子設(shè)備上。

2、發(fā)展歷史

  早在19世紀(jì)30年代,邁克爾·法拉第就發(fā)現(xiàn),周圍磁場的變化將在電線中產(chǎn)生電流。19世紀(jì)90年代,塞爾維亞裔科學(xué)家尼古拉·特斯拉就申請了最初的一個(gè)專利。

  但遺憾的是,這方面的研究延遲了一個(gè)世紀(jì)。最大的障礙是傳輸效率太低又存在危險(xiǎn)。電磁輻射只適合傳送信息,并不適合傳送能量。因?yàn)檩椛錈o定向性可言,能量將會浪費(fèi)在無用的空間中。有人設(shè)想使用定向電磁輻射,比如激光,但其可操作性不強(qiáng)且極具危險(xiǎn)性。

  香港城市大學(xué)電子工程學(xué)系許樹源教授在早幾年曾成功研制出“無線電池充電平臺”,可將數(shù)個(gè)電子產(chǎn)品放在一個(gè)充電平臺上,不需外接電線,透過低頻電磁場自動充電,充電時(shí)間與傳統(tǒng)充電器無異。但這一技術(shù)仍需要產(chǎn)品與充電器接觸,它主要利用的是近場電磁耦合原理。

  美國麻省理工學(xué)院的研究人員在無線傳輸電力方面取得了新進(jìn)展,他們用兩米外的一個(gè)電源,“隔地”點(diǎn)亮了一盞60瓦的燈泡

  索利亞契奇的設(shè)計(jì),非輻射無線能量傳輸有距離的限制,接收器越小則這個(gè)距離越短。他計(jì)算出筆記本電腦大小的物體可以在幾米的范圍內(nèi)接受無線能量傳輸,“這樣在每個(gè)房間安裝一個(gè)發(fā)射源,就可以給整個(gè)住宅的筆記本電腦供電了。”

  索利亞契奇希望通過使用不同材料和改進(jìn)技術(shù),把效率提高到70%至80%。他們相信,改進(jìn)后的設(shè)備將在3到5年內(nèi)為筆記本電腦、移動電話以及其他設(shè)備進(jìn)行無線充電。[1]

3、工作原理

  物理學(xué)家早就知道,在兩個(gè)共振頻率相同的物體之間能有效地傳輸能量,而不同頻率物體之間的相互作用較弱。歌唱家演唱能將裝有不同水量瓶子中的一個(gè)震碎,而不影響其他瓶子就是這個(gè)道理。這也好比我們蕩秋千時(shí),只需坐在上面讓下垂的雙腿同步擺動就能給秋千帶來動力一樣。

 

  無線充電技術(shù)正是利用了這個(gè)原理。同樣,無線充電技術(shù)也應(yīng)用了電磁波感應(yīng)原理,及相關(guān)的交流感應(yīng)技術(shù),在發(fā)送和接收端用相應(yīng)的線圈來發(fā)送和接收產(chǎn)生感應(yīng)的交流信號來進(jìn)行充電的的一項(xiàng)技術(shù),用戶只需要將充電設(shè)備放在一個(gè)“平板”上即可進(jìn)行充電,這樣的充電方式過去曾經(jīng)出現(xiàn)在手表和剃須刀上,但是當(dāng)時(shí)無法針對大容量鋰離子電池進(jìn)行有效充電。無線充電器技術(shù)原理構(gòu)圖如圖所示

  最初由英國一家公司發(fā)明了一種新型無線充電器,它看上去就像一塊塑料鼠標(biāo)墊,這個(gè)“鼠標(biāo)墊”里裝有密集的小型線圈陣列,因此可產(chǎn)生磁場,將能量傳輸給裝有專用接收線圈的電子設(shè)備,從而進(jìn)行充電。接收線圈由磁性合金繞以電線制成,大小和形狀都與口香糖相似,所以可以很方便地貼在電子設(shè)備上。將手機(jī)等放在墊上就能充電,并能同時(shí)給多個(gè)設(shè)備充電。

  充電技術(shù)此前已經(jīng)出現(xiàn),但這項(xiàng)新發(fā)明更為方便實(shí)用。手機(jī)等設(shè)備只要貼上接收線圈,放置在“鼠標(biāo)墊”上的任一位置都可充電,不像以前的一些技術(shù)那樣需要精確定位。幾個(gè)設(shè)備同時(shí)放在墊子上,可以同時(shí)進(jìn)行充電。充電器產(chǎn)生的磁場很弱,能夠給設(shè)備充電但不會影響附近的信用卡、錄像帶等利用磁性記錄數(shù)據(jù)的物品。

  無線充電系統(tǒng)主要采用電磁感應(yīng)原理,通過線圈進(jìn)行能量耦合實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。如圖所示,系統(tǒng)工作時(shí)輸入端將交流市電經(jīng)全橋整流電路變換成直流電,或用24V直流電端直接為系統(tǒng)供電。

  經(jīng)過電源管理模塊后輸出的直流電通過2M有源晶振逆變轉(zhuǎn)換成高頻交流電供給初級繞組。通過2個(gè)電感線圈耦合能量,次級線圈輸出的電流經(jīng)接受轉(zhuǎn)換電路變化成直流電為電池充電。

  變化的磁場會產(chǎn)生變化的電場,變化的電場會產(chǎn)生變化的磁場,其大小均與它們的變化率有關(guān)系,而正弦函數(shù)的變化率是另外一個(gè)正弦函數(shù),所以電磁波能夠傳播出去,而感應(yīng)電壓的產(chǎn)生與磁通量的變化相關(guān),所以線圈內(nèi)部變化的磁場產(chǎn)生感應(yīng)電壓,從而完成充電過程。

  手機(jī)無線充是比較新穎的充電方式,其原理其實(shí)很簡單,就是將普通的變壓器主次級分開來達(dá)到無線的目的。當(dāng)然,無線充的工作頻率比較高,甚至可以拋棄鐵心直接線圈之間就可以達(dá)到能量傳遞的作用。

4、主要特點(diǎn)

  1、從理論來說,無線充電技術(shù)對人體安全無害處,無線充電使用的共振原理是磁場共振,只在以同一頻率共振的線圈之間傳輸,而其他裝置無法接受波段,另外,無線充電技術(shù)使用的磁場本身就是對人體無害的。但無線充電技術(shù)畢竟是新型的充電技術(shù),以邁源科技的無線充電器來說,很多人都會擔(dān)憂無線充電技術(shù)會像當(dāng)初Wi-Fi和手機(jī)天線桿剛出現(xiàn)一樣,其實(shí)技術(shù)本身是無害的。

  2、無線充電技術(shù)利用磁共振在充電器與設(shè)備之間的電場和磁場中傳輸電能,線圈和電容器則在充電器與設(shè)備之間形成共振。

  3、這一系統(tǒng)可以在未來得到廣泛應(yīng)用,例如針對電動汽車的充電區(qū)以及針對電腦芯片的電量傳輸。采用這項(xiàng)技術(shù)研制的充電系統(tǒng)所需要的充電時(shí)間只有當(dāng)前的一百五十分之一

  4、轉(zhuǎn)化率一直是很多人擔(dān)心的問題,麻省理工學(xué)院通過研究表明,無線充電技術(shù)的損耗比起有線充電技術(shù)來說更高。無線充電轉(zhuǎn)化率比起有線要高幾個(gè)百分點(diǎn)。高轉(zhuǎn)化,也是無線充電器得以在全球進(jìn)行應(yīng)用的關(guān)鍵因素。但無線充電技術(shù)也受到距離的限制,未來發(fā)展,必然需要解決遠(yuǎn)距離傳送對于波段和磁場范圍的精準(zhǔn)定位問題。

  5、核心芯片是無線充電技術(shù)在產(chǎn)品應(yīng)用的難點(diǎn)之一。精準(zhǔn)輻射范圍控制,磁場頻率大小,其它控制等都是由芯片實(shí)現(xiàn)。

5、相關(guān)問題

  市場應(yīng)用發(fā)展瓶頸

  1.核心無線充電技術(shù)不完善;

  2.輻射區(qū)域難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸;

  3.長距離定位對硬件的要求太高;

  4.磁場共振高度匹配可控制小;

  5.應(yīng)用范圍局限,沒有得到延伸;

  6.市場因素與消費(fèi)者心理導(dǎo)致開發(fā)商不愿意大力進(jìn)行技術(shù)研發(fā)。

輻射

  麻省理工學(xué)院的研究人員表示,身體對電場的反應(yīng)很強(qiáng),但身體對磁場的反應(yīng)則幾乎沒有,因此這一系統(tǒng)不會影響人體健康。不過,這還只是一種推測,有研究人員對此觀點(diǎn)表示擔(dān)心,在真正應(yīng)用于生活前,還需要進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)。

  做為電子類充電產(chǎn)品,充電器本身避免不了輻射,所以無線充電器有輻射是必然的。但無線充電器的功率很小,充電時(shí)間較長,所產(chǎn)生的輻射也小,應(yīng)該不會對人產(chǎn)生較大的傷害。

端口統(tǒng)一

  為避免不必要的浪費(fèi)和產(chǎn)生更多的電子垃圾,中國正在執(zhí)行手機(jī)充電器端口統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化。但對于無線充電技術(shù)來說,這一點(diǎn)將會得到最大程度的普及:不但手機(jī)可以使用,數(shù)碼相機(jī)、iPhone和iPad、筆記本也都可以一同分享這種充電設(shè)備。日本富士通甚至準(zhǔn)備推出一個(gè)更為高級的技術(shù),將這種成功從便攜式電子產(chǎn)品擴(kuò)大到電動汽車充電中。富士通公司此舉最終目的是在街頭設(shè)置公用“充電點(diǎn)”,可以為便攜數(shù)碼設(shè)備以及電動汽車用戶實(shí)現(xiàn)更方便地24小時(shí)全天候充電服務(wù)。除此之外無線充電器更聰明可節(jié)省耗能。雖然無線充電設(shè)備的效能接收在70%左右,和有線充電設(shè)備相等,但是它具備電滿自動關(guān)閉功能,避免了不必要的能耗。而且這個(gè)效能接收率在不斷提高。

  手機(jī)將內(nèi)置充電接受器,并統(tǒng)一無線充電標(biāo)準(zhǔn)

  要實(shí)現(xiàn)手機(jī)等產(chǎn)品的無線充電,必須有兩個(gè)部分:發(fā)射器,與電源連接,負(fù)責(zé)向廣闊空間發(fā)射電能;接收器,一般安裝在電子產(chǎn)品上,用以接受電能。無線充電技術(shù)已經(jīng)開始在手機(jī)產(chǎn)品中運(yùn)用了,以iPhone手機(jī)為例,無線充電生產(chǎn)商為使其可具備無線充電功能,則對其進(jìn)行了改裝,安裝了一種類似“蘋果皮”的“衣服”。作為無線充電接收器,它是以增加手機(jī)充電外殼的形式出現(xiàn),但相關(guān)改造產(chǎn)品中國或?qū)⒖梢酝瞥觥_@個(gè)外殼被稱為“Qi門”,它支持iPhone與黑莓手機(jī),用戶不需更換手機(jī)可搶先體驗(yàn)這一功能。在2013年初,無線充電接收器會充分“瘦身”,成為手機(jī)產(chǎn)品中內(nèi)置的無線充電接收芯片,只有指甲蓋那么大。諾基亞、飛利浦、LG、三星、索尼愛立信、iPhone、HTC、谷歌、中興、Sharp以及RIM等眾多國際知名手機(jī)廠商都很支持這一技術(shù),無線充電器也有可能會與手機(jī)一起捆綁進(jìn)行銷售。

  手機(jī)無線充電關(guān)鍵在于兼容性,Qi標(biāo)準(zhǔn)可確保品牌兼容

  無線充電技術(shù)主要利用電磁技術(shù),在發(fā)射器將電流轉(zhuǎn)化為電磁,手機(jī)通過內(nèi)置芯片接收器將電磁轉(zhuǎn)化為電流為手機(jī)充電。無線充電技術(shù)推廣的關(guān)鍵在于確保各廠家無線充電器能夠兼容,Qi標(biāo)準(zhǔn)的制定使無線充電有了統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范,確保同一充電器對多品牌和多產(chǎn)品的兼容性。無線充電聯(lián)盟主席MennoTreffers對外表示,Qi無線充電標(biāo)準(zhǔn)采用的是電磁感應(yīng)技術(shù),相比于其他技術(shù),效率和安全性都更高。Qi無線充電標(biāo)準(zhǔn)包括接口、性能以及法規(guī)三方面,這將對無線充電技術(shù)的普及是相當(dāng)大的挑戰(zhàn),所以通過Qi標(biāo)準(zhǔn)的手機(jī)將可通過任何通過Qi認(rèn)證的充電基站、底座或是其它可充電裝置進(jìn)行無線充電。Qi對于裝置的第一項(xiàng)先期要求就是不得高于5瓦特,這對于一些希望筆記本電腦也能同樣通過無線充電技術(shù)的廠商可能是一大限制。

  已有廠商推出Qi標(biāo)準(zhǔn)無線充電產(chǎn)品,市場廣泛

  全球最大的電池和便攜式照明設(shè)備商Energizer(勁量)表示將會很快推出支持Qi標(biāo)準(zhǔn)的無線充電器產(chǎn)品,并首先為蘋果iPhone3GS和黑莓BlackberryCurve8900用戶帶來無線充電的全新體驗(yàn)。同時(shí)市場調(diào)研公司iSuppli提供的數(shù)據(jù)顯示,無線充電設(shè)備市場在2013年將達(dá)到140億美元的規(guī)模。飛利浦已經(jīng)開始生產(chǎn)含有無線充電設(shè)置新型手機(jī)了。飛利浦X723手機(jī)已經(jīng)現(xiàn)身,其采是3.2英寸240X400屏幕,帶GPS和300萬像素?cái)z像頭。可喜的是,該機(jī)將標(biāo)配無線充電器XeniumQ1(Qi無線充電聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)),但具體上市時(shí)間和價(jià)格目前尚未透露。

接收天線

  盡管本文重點(diǎn)介紹充電器,順便也概略介紹下接收天線。因?yàn)檫@類無線充電裝置本質(zhì)是一個(gè)變壓器,初級裝在充電器中,次級裝在終端中。

  因?yàn)榕c充電器不配套的接收天線會引起充電電路中電流的波動,如何選擇好充電天線呢?

  第一:終端天線需帶磁屏蔽。

  充電天線若只是一個(gè)空心線圈,則附近金屬器物靠近時(shí),會導(dǎo)致渦流,使得充電效率下降,充電器能量輻射不出去,電流增大,充電器發(fā)熱。

  第二:充電器選用的磁性介質(zhì)分為有機(jī)磁性材料和無機(jī)磁性材料兩大類。

  有機(jī)磁性的材料可以做成很薄且有翹性,適合手機(jī)后蓋殼貼合,用于手機(jī)中;無機(jī)的磁性材料是燒結(jié)的鐵氧體制成,易碎,適合大的空間安裝。


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