無線充電技術

無線充電技術

無線充電技術(英文:Wireless charging technology;Wireless charge technology )源於無線電能傳輸技術,可分為小功率無線充電和大功率無線充電兩種方式。

功率無線充電常採用電磁感應式,如對手機充電的Qi方式,但中興的電動汽車無線充電方式採用感應式。大功率無線充電常採用諧振式(大部分電動汽車充電採用此方式)由供電設備(充電器)將能量傳送至用電的裝置,該裝置使用接收到的能量對電池充電,並同時供其本身運作之用。

由於充電器與用電裝置之間以磁場傳送能量,兩者之間不用電線連線,因此充電器及用電的裝置都可以做到無導電接點外露。

基本介绍

  • 中文名:無線充電技術
  • 外文名:Wireless charging technology
  • 基本原理:電磁感應、核磁共振
  • 發明時間:1985年
  • 發明人麻省理工學院學者
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歷史發展

1890年,物理學家兼電氣工程師尼古拉·特斯拉(NikolaTesla)就已經做了無線輸電試驗。磁感應強度的國際單位制也是以他的名字命名的。特斯拉構想的無線輸電方法,是把地球作為內導體、地球電離層作為外導體,通過放大發射機以徑向電磁波振盪模式,在地球與電離層之間建立起大約8Hz的低頻共振,再利用環繞地球的表面電磁波來傳輸能量。但因財力不足,特斯拉的大膽構想並沒有得到實現。後人雖然從理論上完全證實了這種方案的可行性,但世界還沒有實現大同,想要在世界範圍內進行能量廣播和免費獲取也是不可能的。因此,一個偉大的科學構想就這樣胎死腹中。
2007年6月7日,麻省理工學院的研究團隊在美國《科學》雜誌的網站上發表了研究成果。研究小組把共振運用到電磁波的傳輸上而成功“抓住”了電磁波,利用銅製線圈作為電磁共振器,一團線圈附在傳送電力方,另一團在接受電力方。傳送方送出某特定頻率的電磁波後,經過電磁場擴散到接受方,電力就實現了無線傳導。這項被他們稱為“無線電力”的技術經過多次試驗,已經能成功為一個兩米外的60瓦燈泡供電。這項技術的最遠輸電距離還只能達到2.7米,但研究者相信,電源已經可以在這範圍內為電池充電。而且只需要安裝一個電源,就可以為整個屋裡的電器供電。
2014年2月,電腦廠商戴爾加盟了A4WP陣營,當時,陣營相關高層就表示,會對技術進行升級,支持戴爾等電腦廠商的超極本進行無線充電。市面上的傳統筆記本電腦,大部分電源功率超過了50瓦,不過超極本使用了英特爾的低功耗處理器,將成為第一批用上無線充電的筆記本電腦。在此之前,無線充電技術,一直只和智慧型手機、小尺寸平板等“小”移動設備有關。不過,無線充電三大陣營之一的A4WP(“無線充電聯盟”)日前宣布,其技術標準已經升級,所支持的充電功率增加到50瓦,意味著筆記本電腦、平板等大功率設備,也可以實現無線充電。
2017年10月,支持無線充電功能的手機大家庭,又迎來了3名新成員:iPhone 8、iPhone 8 Plus和iPhone X——它們都支持Qi無線充電標準,目的是給用戶帶來更大方便,手機本身看起來也更酷。

基本原理

電磁感應式

初級線圈一定頻率的交流電,通過電磁感應在次級線圈中產生一定的電流,從而將能量從傳輸端轉移到接收端。目前最為常見的充電解決方案就採用了電磁感應,事實上,電磁感應解決方案在技術實現上並無太多神秘感,中國本土的比亞迪公司,早在2005年12月申請的非接觸感應式充電器專利,就使用了電磁感應技術。

磁場共振

由能量傳送裝置,和能量接收裝置組成,當兩個裝置調整到相同頻率,或者說在一個特定的頻率上共振,它們就可以交換彼此的能量,是目前正在研究的一種技術,由麻省理工學院(MIT)物理教授Marin Soljacic帶領的研究團隊利用該技術點亮了兩米外的一盞60瓦燈泡,並將其取名為WiTricity。該實驗中使用的線圈直徑達到50cm,還無法實現商用化,如果要縮小線圈尺寸,接收功率自然也會下降。

無線電波式

這是發展較為成熟的技術,類似於早期使用的礦石收音機,主要有微波發射裝置和微波接收裝置組成,可以捕捉到從牆壁彈回的無線電波能量,在隨負載作出調整的同時保持穩定的直流電壓。此種方式只需一個安裝在牆身插頭的傳送器,以及可以安裝在任何低電壓產品的“蚊型”接收器。
無線充電技術原理圖無線充電技術原理圖

主流技術

主流的無線充電標準有五種:Qi標準、Power Matters Alliance(PMA)標準、Alliance for Wireless Power(A4WP)標準、iNPOFi技術、Wi-Po技術。
1、Qi標準
Qi是全球首個推動無線充電技術的標準化組織--無線充電聯盟(Wireless Power Consortium,簡稱WPC)推出的“無線充電”標準,具備便捷性和通用性兩大特徵。首先,不同品牌的產品,只要有一個Qi的標識,都可以用Qi無線充電器充電。其次,它攻克了無線充電“通用性”的技術瓶頸,在不久的將來,手機、相機、電腦等產品都可以用Qi無線充電器充電,為無線充電的大規模套用提供可能。
無線充電示例無線充電示例
市場比較主流的無線充電技術主要通過三種方式,即電磁感應、無線電波、以及共振作用,而Qi採用了最為主流的電磁感應技術。在技術套用方面,中國公司已經站在了無線充電行業的最前沿。據悉,Qi在中國的套用產品主要是手機,這是第一個階段,以後將發展運用到不同類別或更高功率的數碼產品中。
2、Power Matters Alliance標準
Power Matters Alliance標準是由Duracell Powermat公司發起的,而該公司則是由寶潔與無線充電技術公司Powermat合資經營,擁有比較出色的綜合實力。除此以外,Powermat還是Alliance for Wireless Power(A4WP)標準的支持成員之一。
已經有AT&TGoogle星巴克三家公司加盟了PMA聯盟(Power Matters Alliance縮寫)。PMA聯盟致力於為符合IEEE協會標準的手機和電子設備,打造無線供電標準,在無線充電領域中具有領導地位。
Duracell Powermat公司推出過一款WiCC充電卡採用的就是Power Matters Alliance標準。WiCC比SD卡大一圈,內部嵌入了用於電磁感應式非接觸充電的線圈和電極等組件,卡片的厚度較薄,插入現有智慧型手機電池旁邊即可利用,利用該卡片可使很多便攜終端輕鬆支持非接觸充電。
3、A4WP標準
A4WP是Alliance for Wireless Power標準的簡稱,由美國高通公司、韓國三星公司以及前面提到的Powermat公司共同創建的無線充電聯盟創建。該聯盟還包括Ever Win Industries、Gill Industries、Peiker Acustic和SK Telecom等成員,目標是為包括攜帶型電子產品和電動汽車等在內的電子產品無線充電設備設立技術標準和行業對話機制。
4、iNPOFi技術
iNPOFi(“invisible power field”,即“不可見的能量場”)無線充電是一種新的無線充電技術。其無線充電系列產品採用智慧型電傳輸無線充電技術,具備無輻射、高電能轉化效率、熱效應微弱等特性。
iNPOFi智慧型無輻射技術與現有其他的無線充電技術相比,iNPOFi沒有輻射,採用電場脈衝模式,不產生任何輻射,中國泰爾實驗室測試結果顯示,輻射增加值近乎零。 在高效方面,泰爾試驗室還測定,該技術的產品,充電傳輸效率高達90%以上,徹底改變了傳統無線充電最高70%以下電轉換低效率問題。
在智慧型管理方面,採用晶片適配管理技術,其中包括:自動開啟、關閉充電過程;自動適配需要的電壓、電流,管理充電過程,以確保較高的充電效率;並可以使用一個統一的充電板,為任何品牌、型號的電子產品,進行安全、便利、高效的充電。 在安全性方面,同時考慮到了各種弱電充電中的安全性問題,如靜電ESD保護、防過充、防衝擊等等,甚至若受電設備自身電源管理出現問題時,可以通過inpofi晶片自動熔斷保護電子設備不被損壞。
值得一提的是,對於智慧型設備廠商而言,inpofi以一顆極小的晶片為核心,實現了超微化設計,僅有1/4個五毛硬幣大小,可以方便的集成到任何設備中,也可以集成到各種形態的可穿戴設備中。這是傳統電磁原理的產品無法達到的。
iNPOFi技術作為新一代無線充電技術標準,高效、綠色、便捷、經濟。採用該技術的充電設備包含電源發射裝置和電源接收裝置兩部分,發射裝置大小、薄厚與普通手機相當,接收裝置嵌入手機保護套中,將手機套上保護套,平放在發射裝置上進行充電。充電過程中,手機不需要插上任何連線線。相關檢測顯示,充電過程中電磁輻射為零,電能效率轉換達94.7%,接近有線充電。充電設備支持低電壓供電,兼容普通USB供電;實現低溫充電,有效保障設備及電池的使用安全及壽命。
5、Wi-Po技術
Wi-Po技術,為Wi-Po磁共振無線充電技術,利用高頻恆定幅值交變磁場發生裝置,產生6.78MHz的諧振磁場,實現更遠的發射距離。
該技術通過藍牙4.0實現通訊控制,安全可靠,並且可以支持一對多同步通信,同時還具有過溫、過壓、過流保護和異物檢測功能。該技術由於使用的載體為空間磁場,能量不會像電磁波那般發射出去,所以不會對人體造成輻射傷害。
Wi-Po磁共振無線充電可套用於手機、電腦、智慧型穿戴、智慧型家居、醫療設備、電動汽車等各種場景。

電動汽車無線充電

國外現狀

目前在國際上,汽車廠商如奧迪、寶馬、賓士、沃爾沃、豐田等,通信公司如高通等都已經開始研究電動汽車無線充電技術。其中奧迪的無線充電技術方案主要是針對傳輸過程中效率流失的問題,該方案通過一種可升降的無線充電系統,使得電纜端的發射線圈更靠近電動汽車底部的接收線圈,從而提高電力傳輸效率。寶馬與賓士合作研發的無線充電技術已經經過了測試,並套用到了寶馬i8車繫上。至於沃爾沃則已經完成了電動汽車車載無線充電系統測試,據說整個充電過程用時3個小時都不到。由於無線充電技術相對較成熟,目前在國外有些地方已經開始投入使用,2014年韓國鋪設了一條長達12公里的無線充電路段,車輛行駛在路上可邊開車邊充電。

國內現狀

相比較於國外眾多廠商參與的盛況,國內研究無線充電技術的機構並不多,其中以中興、比亞迪、重慶大學等為代表。其中中興於2013年就開始研發無線充電技術,2014年推出了成熟具體的產品和方案。目前中興的無線充電方案已經開始在部分城市正式投入使用。不同於中興的廣為人知,比亞迪據說在2005年就申請了非接觸感應式充電器的專利,並在2014年賣給猶他大學的一輛純電動巴士上配備了WAVE無線充電墊。至於科研機構的代表重慶大學,據說在2002年開始研究給汽車充電的“大功率無線電能充電傳輸裝置”。
目前在國內,雖然無線充電技術沒有國外成熟,但也已經開始在部分城市、地方投入運營使用,據了解北京已經在研究推廣無線充電微循環公車,並將於今年下半年在亦莊或是京郊區縣已經有電動計程車的示範區域,開始進行無線充電的示範運行。
無線供電入選廈門市第八批“雙百計畫”,這也是無線充電高新技術項目首次進入福建和廈門,標誌著無線供電產業已成為廈門高新產業群的重要組成部分。
2014年我國新能源汽車銷量達7.5萬輛,2015年一季度達2.72萬輛。我國新能源汽車產業的高速增長使得市場對充電樁的需求越來越大,解決充電難題已經刻不容緩。雖然已有車企和充電公司投入興建充電樁,但市場遠遠未達到飽和程度。而且相比較於充電樁,無線充電的建設成本更低,據了解中興的一套無線充電設施建設下來成本大概2萬元左右,並且還不受場地限制等因素的影響。在巨大的市場蛋糕誘惑面前,無線充電此時不分一杯羹還待何時?也許步入商業化還需要時間,但機會永遠是給有準備的人,此時切入並不晚。

無線充電產業鏈

無線充電產業鏈分為接收和發射兩個部分,接收端上下游產業鏈分為晶片、磁性材料、傳輸線圈、模組製造、系統集成。而發射端分為:晶片、線圈模組、方案設計。
接收端晶片與系統集成設計環節技術壁壘高、利潤高(大概各占無線充電產業鏈利潤的30%),主要客戶是手機終端。發展狀態與三年前指紋識別非常類似,只有IDT一家有過出貨經驗,博通是給蘋果公司官方定製,而其他包括TI、高通在內都沒能抓住產業的第一波爆發機會,未能打入任何一家手機廠商的供應鏈。相反,國內一批掌握高尖端技術的創業公司和上市公司提前布局,在手機接收端市場初現端倪,搭載國產晶片的品牌手機已有面市金立手機M7 Plus選用的便是國產品牌的無線充電方案。
在發射端晶片環節,參與廠商眾多,分化出不同的層級。一線的無線充電器廠商,如Mophie、Belkin、澤寶等一般更看重定頻、FOD異物檢測功能,以及快充等性能,品牌NXP、IDT和國內少數主打高端市場的晶片廠商往往成為其首選。在主打性價比的品牌中,國外的晶片因為其居高不下的價格很難占據一席之地,反而國內的一批晶片廠商市場占有率很高,當然這一市場的競爭也非常激烈。
接收端產業鏈相關企業:
產業鏈環節 特徵 相關企業
系統集成 技術壁壘高,需要手機系統設計積累 IDT、三星、蘋果、易沖無線等
晶片 技術壁壘高,對晶片大小、控制和穩定性都有很高要求 IDT、高通、博通、ST、易沖無線、羅姆半導體等
傳輸線圈 高客戶定製,需要精密加工水平 東山密、順絡電子、信維通信、立訊精密等
磁性材料 需要高磁通性,技術要求高 Amotech、TDK、藍沛、天通股份、安泰科技、橫店東磁等
模組 封裝製造環節,壁壘低,率先受益 信維通信、東山精密、德門、安費諾、LG等
▲手機無線充電供應鏈相關企業
發射端產業鏈相關企業:
產業鏈環節 相關企業
方案設計 奧海、立訊、泰克微、和宏、中惠創智、方昕、北海嘉信高、佑華等
晶片 NXP、IDT、TI、易沖無線、勁芯微、新捷、華潤矽科、新頁等
線圈/模組 順絡電子、天通股份、麥格磁電、華源、泛亞等
終端品牌 Mophie、Anker、RAVPower、Belkin、綠聯等
▲發射端無線充電供應鏈相關企業
無線充電市場的爆發,對於上下游企業而言,無疑意味著巨大的商機,不僅在智慧型手機中,而且在智慧型家居、汽車等市場依然具有大空間。此外,對於第三方的無線充電供應商來說,這也意味著巨大的商機。這些廠商提供的無線充電器不僅僅是針對三星或蘋果的配套,而是兼容性很高的產品,以實現為不同品牌的手機充電。不過,無線充電產業尚處於發展的初期,市場上湧現的無線充電器產品已是數不勝數,只有那些保證品質的產品才能在市場中脫穎而出。

社會評價

優點

  1. 利用無線磁電感應充電的設備可做到隱形,設備磨損率低,套用範圍廣,公共充電區域面積相對的減小,但減小的占地面積份額不會太大。
  2. 技術含量高,操作方便,可實施相對來說的遠距離無線電能的轉換,但大功率無線充電的傳輸距離只限制在5米以內,不會太遠。
  3. 操作方便。

缺點

  1. 雖然設備技術含量高,但設備的經濟成本投入較高,維修費用大。
  2. 因實現遠距離大功率無線磁電轉換,所以設備的耗能較高。隨著無線充電設備的距離和功率的增大,無用功的耗損也就會越大。
  3. 無線充電技術設備本身實現的是二次能源轉換,也就是將網電降壓(或直接)變為直流電後在進行一次較高頻率的開關控制交流變換輸出。由於大功率的交直交電流轉換是進行電能的二次性無線傳輸原因,所以電磁的空間磁損率太大。

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