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从Apple Watch的发布浅谈无线充电技术
日期:2015-03-25
      北京时间2015年3月10日的凌晨一点,美国高科技公司苹果(Apple Inc. )召开了2015年首次新品发布会,在美国加州旧金山,苹果公司首席执行官蒂姆·库克详细介绍苹果的新产品--Apple Watch。可以说,苹果的每一次设备的更新或者新产品的发布都会引起全球的关注和“果粉”的追逐,那么Apple Watch是否仍旧会大卖呢?让我们4月24日以后拭目以待。
      我关注到,除了Apple Watch漂亮的外观和高昂的价格外,无线充电成为了苹果产品中新的一项技术,也格外引人注目。Apple Watch采用的MagSafe无线充电,续航时间大概为18小时。其实苹果的MagSafe无线充电技术早在苹果的笔记本上有所使用,Magsafe是一种以磁性方式把电源线与苹果设备连接在一起的充电方式,使苹果设备的电池充电比以前更加简便。当电源线张力过高时,MagSafe电源连接器能够安全地与苹果设备断开连接。此次的Apple Watch就是采用这种电源线和设备磁力吸引的“有线”的无线充电方式。
      那么,我们如果摒弃电源线不说,无线充电是如何实现的呢?无线充电技术(Wireless charging technology;Wireless charge technology ),源于无线电力输送技术。无线充电,又称作感应充电、非接触式感应充电,是利用近场感应,也就是电感耦合,由供电设备(充电器)将能量传送至用电的装置,该装置使用接收到的能量对电池充电,并同时供其本身运作之用。由于充电器与用电装置之间以电感耦合传送能量,两者之间不用电线连接,因此充电器及用电的装置都可以做到无导电接点外露。
      19世纪30年代,迈克尔·法拉第就发现,周围磁场的变化将在电线中产生电流。1890年,世界知名的发明家、物理学家、机械工程师和电机工程师尼古拉·特斯拉(NikolaTesla)做了一个无线输电试验,实现了交流发电。我们熟知的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。
      事实上,从低频波到宇宙射线,我们周围到处存在着电磁波,它们都携带着或多或少的能量。在不少物理学家看来,人们要做的或许仅仅是找到合适的办法接收和利用这些能量。特斯拉的想法虽然难成现实,但无线电能传输对于新能源的开发和利用、解决未来能源短缺问题有着重要的意义,因此,许多国家都没有放弃这方面的研究。1968年,美国工程师彼得·格拉泽(Peter Glaser)提出了空间太阳能发电(Space Solar Power,SSP)的概念,其构想是在地球外层空间建立太阳能发电基地,通过微波将电能传输回地球(图2),并通过整流天线把微波转换成电能。1979年,美国航空航天局NASA和美国能源部联合提出太阳能计划-建立“SPS太阳能卫星基准系统”。欧盟则在非洲的留尼汪岛建造了一座10万千瓦的实验型微波输电装置,已于2003年向当地村庄送电。野心勃勃的日本拟于2020年建造试验型太空太阳能发电站SPS2000,2050年进入规模运行。
      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他们的研究成果。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。他们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。当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。
      2008年底,世界第一个无线充电标准组织——无线充电联盟(Wireless Power Consortium)成立,并在2010年发布了首个无线充电标准——Qi标准,为低功率无线充电设备的普及提供了技术支持。
随后,经过无线充电联盟和多家公司的实验及应用,随着符合Qi标准的无线充电设备大量上市,无线充电逐渐进入了我们的日常生活,有望取代有线充电成为主流。比如无线充电电动牙刷,无线充电手机等等。
      无线充电是在无线电能传输的基础上实现的,依据无线电能传输原理的不同,无线充电可分为电磁感应式、电磁共振式、电磁辐射式和电容感应式四种。
      电磁感应式无线充电是目前最为成熟的无线充电技术。其基本原理是采用非接触变压器耦合进行电力传输,将系统变压器耦合磁路分开,变压器原边绕组流过的是经高频振荡的交流电,通过发射与接收线圈之间产生的电磁感应来完成电力传输。
电磁共振式又称WiTricity 技术,是由麻省理工学院的研究人员提出的。该系统的发射与接收端也采用电感线圈来传输、接收能量,当发射端的磁场振荡频率与接收线圈的固有频率相同时,二者便会形成一个共振系统,能量在这个相对封闭的系统内传输,对系统之外的物体不会产生干扰,也不会产生电磁辐射。电磁共振式适合中程电能传输。但由于对线圈的品质因数要求太高,该技术近期难以实现商业化。
电磁辐射式主要采用微波波段进行电能传输,由于频率很高,能量可以顺利通过电离层而不反射。宇宙空间对微波传输十分理想,几乎没有能量损耗,而微波通过大气层时的损耗也仅为2%。电源经转换变成微波后,通过发射站的发射天线送到空间,然后传输到地面微波接收站,转换后供用户使用。其传输距离在几千米及以上,属于远程传输。
      电容感应式又称电容耦合或电场耦合式,通过对置送电侧电极与受电侧电极,利用两电极间产生的感应电场来供电,与电磁感应式相比,具有抗水平错位、容易嵌入用电设备的特点。该充电方式目前只有日本的株式会社村田制作所采用,2011 年底已经实现。
目前,无线充电的发展由3个标准联盟组织推动,这三个联盟组织分别有自己独立的无线充电标准,且基本不兼容,希望在不远的未来,这三个标准能够统一兼容起来。这三个标准是PWA、Qi和A4WP标准。
      PWA标准全称为Power Matters Alliance,由Duracell Powermat公司发起,主要成员有AT&T、Google、星巴克、华为、中兴、Samsung以及LG,在无线充电领域具有领导地位。目前,该组织已经推出一款WiCC充电卡,采用电磁感应技术,成品只有SD卡大小。
      Qi标准是由全球首个无线充电标准化组织——无线充电联盟(Wireless Power Consortium)于2010年在中国发布的无线充电标准。该标准主要为功率在5W及5W以下的无线充电模块提供技术支持。目前,无线充电联盟已有成员企业138家,包括Atmel、Nokia、Philips、TI以及我国信息产业部通信电磁兼容质量监督检验中心。已经上市的Qi产品众多,如Nokia Lumia 920、LG Nexus 4等品牌的大量不同款式的无线充电器。这些符合Qi标准的充电器充电效率在70%以上,而且很快就会达到98%。Qi已经成为了推动无线充电事业发展的中坚力量。
      A4WP是Alliance for Wireless Power标准的简称,由美国高通公司、韩国三星公司和Powermat公司共同创建。与前两者不同,该标准采用电磁共振式无线充电方式,可以实现更大范围、更多设备无线充电。由于技术问题,A4WP的充电效率和充电速度远不及Qi设备,目前尚无上市产品。
      随着科学技术的发展,人类已经成功地从有线通信时代步入了无线通信时代。现在,随着以无线充电技术的发展,无线充电也在以非常迅猛的态势发展,可以说,随着苹果公司的Apple Watch的这一次推广,无线充电的时代已经到来。