无线充电技术

2018-05-17  雅韵风乐...

折叠 编辑本段 历史发展

1890年,物理学家兼电气工程师尼古拉·特斯拉(NikolaTesla)就已经做了无线输电试验,实现了交流发电。磁感应强度的国际单位制也是以他的名字命名的。特斯拉构想的无线输电方法,是把地球作为内导体、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,再利用环绕地球的表面电磁波来传输能量。但因财力不足,特斯拉的大胆构想并没有得到实现。后人虽然从理论上完全证实了这种方案的可行性,但世界还没有实现大同,想要在世界范围内进行能量广播和免费获取也是不可能的。因此,一个伟大的科学设想就这样胎死腹中。

2007年6月7日,麻省理工学院的研究团队在美国《科学》杂志的网站上发表了研究成果。研究小组把共振运用到电磁波的传输上而成功"抓住"了电磁波,利用铜制线圈作为电磁共振器,一团线圈附在传送电力方,另一团在接受电力方。传送方送出某特定频率的电磁波后,经过电磁场扩散到接受方,电力就实现了无线传导。这项被他们称为"无线电力"的技术经过多次试验,已经能成功为一个两米外的60瓦灯泡供电。这项技术的最远输电距离还只能达到2.7米,但研究者相信,电源已经可以在这范围内为电池充电。而且只需要安装一个电源,就可以为整个屋里的电器供电。

2014年2月,电脑厂商戴尔加盟了A4WP阵营,当时,阵营相关高层就表示,会对技术进行升级,支持戴尔等电脑厂商的超极本进行无线充电。市面上的传统笔记本电脑,大部分电源功率超过了50瓦,不过超极本使用了英特尔的低功耗处理器,将成为第一批用上无线充电的笔记本电脑。在此之前,无线充电技术,一直只和智能手机、小尺寸平板等"小"移动设备有关。不过,无线充电三大阵营之一的A4WP("无线充电联盟")日前宣布,其技术标准已经升级,所支持的充电功率增加到50瓦,意味着笔记本电脑、平板等大功率设备,也可以实现无线充电。[1]

2017年10月,支持无线充电功能的手机大家庭,又迎来了3名新成员:iPhone 8、iPhone 8 Plus和iPhone X--它们都支持Qi无线充电标准,目的是给用户带来更大方便,手机本身看起来也更酷。[2]

折叠 编辑本段 基本原理

折叠 电磁感应式

初级线圈一定频率的交流电,通过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。目前最为常见的充电解决方案就采用了电磁感应,事实上,电磁感应解决方案在技术实现上并无太多神秘感,中国本土的比亚迪公司,早在2005年12月申请的非接触感应式充电器专利,就使用了电磁感应技术。

折叠 磁场共振

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,是目前正在研究的一种技术,由麻省理工学院(MIT)物理教授Marin Soljacic带领的研究团队利用该技术点亮了两米外的一盏60瓦灯泡,并将其取名为WiTricity。该实验中使用的线圈直径达到50cm,还无法实现商用化,如果要缩小线圈尺寸,接收功率自然也会下降。

折叠 无线电波式

这是发展较为成熟的技术,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,可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量,在随负载作出调整的同时保持稳定的直流电压。此种方式只需一个安装在墙身插头的发送器,以及可以安装在任何低电压产品的"蚊型"接收器。无线充电技术原理图无线充电技术原理图

折叠 编辑本段 主流技术

主流的无线充电标准有五种:Qi标准、Power Matters Alliance(PMA)标准、Alliance for Wireless Power(A4WP)标准、iNPOFi技术、Wi-Po技术。

1、Qi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 无线充电示例无线充电示例Power Consortium,简称WPC)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。

市场比较主流的无线充电技术主要通过三种方式,即电磁感应、无线电波、以及共振作用,而Qi采用了最为主流的电磁感应技术。在技术应用方面,中国公司已经站在了无线充电行业的最前沿。据悉,Qi在中国的应用产品主要是手机,这是第一个阶段,以后将发展运用到不同类别或更高功率的数码产品中。

2、Power Matters Alliance标准

Power Matters Alliance标准是由Duracell Powermat公司发起的,而该公司则是由宝洁与无线充电技术公司Powermat合资经营,拥有比较出色的综合实力。除此以外,Powermat还是Alliance for Wireless Power(A4WP)标准的支持成员之一。

已经有AT&T、Google星巴克三家公司加盟了PMA联盟(Power Matters Alliance缩写)。PMA联盟致力于为符合IEEE协会标准的手机和电子设备,打造无线供电标准,在无线充电领域中具有领导地位。

Duracell Powermat公司推出过一款WiCC充电卡采用的就是Power Matters Alliance标准。WiCC比SD卡大一圈,内部嵌入了用于电磁感应式非接触充电的线圈和电极等组件,卡片的厚度较薄,插入现有智能手机电池旁边即可利用,利用该卡片可使很多便携终端轻松支持非接触充电。

3、A4WP标准

A4WP是Alliance for Wireless Power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。该联盟还包括Ever Win Industries、Gill Industries、Peiker Acustic和SK Telecom等成员,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。

4、iNPOFi技术

iNPOFi("invisible power field",即"不可见的能量场")无线充电是一种新的无线充电技术。其无线充电系列产品采用智能电传输无线充电技术,具备无辐射、高电能转化效率、热效应微弱等特性。

iNPOFi智能无辐射技术与现有其他的无线充电技术相比,iNPOFi没有辐射,采用电场脉冲模式,不产生任何辐射,中国泰尔实验室测试结果显示,辐射增加值近乎零。 在高效方面,泰尔试验室还测定,该技术的产品,充电传输效率高达90%以上,彻底改变了传统无线充电最高70%以下电转换低效率问题。

在智能管理方面,采用芯片适配管理技术,其中包括:自动开启、关闭充电过程;自动适配需要的电压、电流,管理充电过程,以确保较高的充电效率;并可以使用一个统一的充电板,为任何品牌、型号的电子产品,进行安全、便利、高效的充电。 在安全性方面,同时考虑到了各种弱电充电中的安全性问题,如静电ESD保护、防过充、防冲击等等,甚至若受电设备自身电源管理出现问题时,可以通过inpofi芯片自动熔断保护电子设备不被损坏。

值得一提的是,对于智能设备厂商而言,inpofi以一颗极小的芯片为核心,实现了超微化设计,仅有1/4个五毛硬币大小,可以方便的集成到任何设备中,也可以集成到各种形态的可穿戴设备中。这是传统电磁原理的产品无法达到的。

iNPOFi技术作为新一代无线充电技术标准,高效、绿色、便捷、经济。采用该技术的充电设备包含电源发射装置和电源接收装置两部分,发射装置大小、薄厚与普通手机相当,接收装置嵌入手机保护套中,将手机套上保护套,平放在发射装置上进行充电。充电过程中,手机不需要插上任何连接线。相关检测显示,充电过程中电磁辐射为零,电能效率转换达94.7%,接近有线充电。充电设备支持低电压供电,兼容普通USB供电;实现低温充电,有效保障设备及电池的使用安全及寿命。[3]

5、Wi-Po技术

Wi-Po技术,为Wi-Po磁共振无线充电技术,利用高频恒定幅值交变磁场发生装置,产生6.78MHz的谐振磁场,实现更远的发射距离。

该技术通过蓝牙4.0实现通讯控制,安全可靠,并且可以支持一对多同步通信,同时还具有过温、过压、过流保护和异物检测功能。该技术由于使用的载体为空间磁场,能量不会像电磁波那般发射出去,所以不会对人体造成辐射伤害。

Wi-Po磁共振无线充电可应用于手机、电脑、智能穿戴、智能家居、医疗设备、电动汽车等各种场景。[4]

折叠 编辑本段 电动汽车无线充电

折叠 国外现状

目前在国际上,汽车厂商如奥迪、宝马、奔驰、沃尔沃、丰田等,通信公司如高通等都已经开始研究电动汽车无线充电技术。其中奥迪的无线充电技术方案主要是针对传输过程中效率流失的问题,该方案通过一种可升降的无线充电系统,使得电缆端的发射线圈更靠近电动汽车底部的接收线圈,从而提高电力传输效率。宝马与奔驰合作研发的无线充电技术已经经过了测试,并应用到了宝马i8车系上。至于沃尔沃则已经完成了电动汽车车载无线充电系统测试,据说整个充电过程用时3个小时都不到。由于无线充电技术相对较成熟,目前在国外有些地方已经开始投入使用,2014年韩国铺设了一条长达12公里的无线充电路段,车辆行驶在路上可边开车边充电。[5]

折叠 国内现状

相比较于国外众多厂商参与的盛况,国内研究无线充电技术的机构并不多,其中以中兴、比亚迪、重庆大学等为代表。其中中兴于2013年就开始研发无线充电技术,2014年推出了成熟具体的产品和方案。目前中兴的无线充电方案已经开始在部分城市正式投入使用。不同于中兴的广为人知,比亚迪据说在2005年就申请了非接触感应式充电器的专利,并在2014年卖给犹他大学的一辆纯电动巴士上配备了WAVE无线充电垫。至于科研机构的代表重庆大学,据说在2002年开始研究给汽车充电的"大功率无线电能充电传输装置"。

目前在国内,虽然无线充电技术没有国外成熟,但也已经开始在部分城市、地方投入运营使用,据了解北京已经在研究推广无线充电微循环公交车,并将于今年下半年在亦庄或是京郊区县已经有电动出租车的示范区域,开始进行无线充电的示范运行。

无线供电入选厦门市第八批"双百计划",这也是无线充电高新技术项目首次进入福建和厦门,标志着无线供电产业已成为厦门高新产业群的重要组成部分。[6]

2014年我国新能源汽车销量达7.5万辆,2015年一季度达2.72万辆。我国新能源汽车产业的高速增长使得市场对充电桩的需求越来越大,解决充电难题已经刻不容缓。虽然已有车企和充电公司投入兴建充电桩,但市场远远未达到饱和程度。而且相比较于充电桩,无线充电的建设成本更低,据了解中兴的一套无线充电设施建设下来成本大概2万元左右,并且还不受场地限制等因素的影响。在巨大的市场蛋糕诱惑面前,无线充电此时不分一杯羹还待何时?也许步入商业化还需要时间,但机会永远是给有准备的人,此时切入并不晚。

折叠 编辑本段 无线充电产业链

无线充电产业链分为接收和发射两个部分,接收端上下游产业链分为芯片、磁性材料、传输线圈、模组制造、系统集成。而发射端分为:芯片、线圈模组、方案设计。

接收端芯片与系统集成设计环节技术壁垒高、利润高(大概各占无线充电产业链利润的30%),主要客户是手机终端。发展状态与三年前指纹识别非常类似,只有IDT一家有过出货经验,博通是给苹果公司官方定制,而其他包括TI、高通在内都没能抓住产业的第一波爆发机会,未能打入任何一家手机厂商的供应链。相反,国内一批掌握高尖端技术的创业公司和上市公司提前布局,在手机接收端市场初现端倪,搭载国产芯片的品牌手机已有面市金立手机M7 Plus选用的便是国产品牌的无线充电方案。

在发射端芯片环节,参与厂商众多,分化出不同的层级。一线的无线充电器厂商,如Mophie、Belkin、泽宝等一般更看重定频、FOD异物检测功能,以及快充等性能,品牌NXP、IDT和国内少数主打高端市场的芯片厂商往往成为其首选。在主打性价比的品牌中,国外的芯片因为其居高不下的价格很难占据一席之地,反而国内的一批芯片厂商市场占有率很高,当然这一市场的竞争也非常激烈。

接收端产业链相关企业:

产业链环节 特征 相关企业

系统集成 技术壁垒高,需要手机系统设计积累 IDT、三星、苹果、易冲无线等

芯片 技术壁垒高,对芯片大小、控制和稳定性都有很高要求 IDT、高通、博通、ST、易冲无线、罗姆半导体等

传输线圈 高客户定制,需要精密加工水平 东山密、顺络电子、信维通信、立讯精密等

磁性材料 需要高磁通性,技术要求高 Amotech、TDK、蓝沛、天通股份、安泰科技、横店东磁等

模组 封装制造环节,壁垒低,率先受益 信维通信、东山精密、德门、安费诺、LG等

▲手机无线充电供应链相关企业

发射端产业链相关企业:

产业链环节 相关企业

方案设计 奥海、立讯、泰克微、和宏、中惠创智、方昕、北海嘉信高、佑华等

芯片 NXP、IDT、TI、易冲无线、劲芯微、新捷、华润矽科、新页等

线圈/模组 顺络电子、天通股份、麦格磁电、华源、泛亚等

终端品牌 Mophie、Anker、RAVPower、Belkin、绿联等

▲发射端无线充电供应链相关企业

无线充电市场的爆发,对于上下游企业而言,无疑意味着巨大的商机,不仅在智能手机中,而且在智能家居、汽车等市场依然具有大空间。此外,对于第三方的无线充电供应商来说,这也意味着巨大的商机。这些厂商提供的无线充电器不仅仅是针对三星或苹果的配套,而是兼容性很高的产品,以实现为不同品牌的手机充电。不过,无线充电产业尚处于发展的初期,市场上涌现的无线充电器产品已是数不数,只有那些保证品质的产品才能在市场中脱颖而出。[7]

折叠 编辑本段 社会评价

折叠 优点

  1. 利用无线磁电感应充电的设备可做到隐形,设备磨损率低,应用范围广,公共充电区域面积相对的减小,但减小的占地面积份额不会太大。
  2. 技术含量高,操作方便,可实施相对来说的远距离无线电能的转换,但大功率无线充电的传输距离只限制在5米以内,不会太远。
  3. 操作方便。

折叠 缺点

  1. 虽然设备技术含量高,但设备的经济成本投入较高,维修费用大。
  2. 因实现远距离大功率无线磁电转换,所以设备的耗能较高。随着无线充电设备的距离和功率的增大,无用功的耗损也就会越大。
  3. 无线充电技术设备本身实现的是二次能源转换,也就是将网电降压(或直接)变为直流电后在进行一次较高频率的开关控制交流变换输出。由于大功率的交直交电流转换是进行电能的二次性无线传输原因,所以电磁的空间磁损率太大。

    猜你喜欢
    发表评论评论公约
    喜欢该文的人也喜欢 更多