淺談無線充電技術(shù)在智能時代的發(fā)展與應(yīng)用

沈馳鑫(華東理工大學(xué),上海 200237)

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淺談無線充電技術(shù)在智能時代的發(fā)展與應(yīng)用

沈馳鑫
(華東理工大學(xué),上海 200237)

【摘 要】智能手機等電子產(chǎn)品已經(jīng)成為了人們生活中不可或缺的一部分,這些產(chǎn)品豐富了人們的生活,給人們帶來了諸多便利,與此同時,對智能電子產(chǎn)品充電頻率的不斷增加也給人們帶來了困擾,雜亂的數(shù)據(jù)線和頻繁的插拔使人們對充電過程感到不勝其煩,因此,人們需要一種更加便捷可靠的充電方法,無線充電技術(shù)的發(fā)展有效地避免了充電線纜帶來的困擾。本文介紹了無線充電技術(shù)及相關(guān)原理,對無線充電的應(yīng)用現(xiàn)狀和未來發(fā)展前景進行了分析和展望,最后提出了一套基于無線充電技術(shù)的公共服務(wù)設(shè)計方案。

【關(guān)鍵詞】無線充電 智能產(chǎn)品 服務(wù)設(shè)計

隨著科技的發(fā)展，智能電子產(chǎn)品迅速普及，各類智能產(chǎn)品已經(jīng)成為了人們生活中不可或缺的一部分，人們需要面對身邊智能手機、平板電腦、可穿戴式設(shè)備等不同種類的充電器和充電線，雜亂的數(shù)據(jù)線和頻繁的插拔使人們對充電過程感到不勝其煩。人們對充電技術(shù)的需求，逐步向智能便捷、簡單通用、節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展。無線充電技術(shù)的發(fā)展讓人們擺脫了充電所帶來的困擾，人們不再需要數(shù)據(jù)線給電子產(chǎn)品進行充電；另一方面，也解決了不同電子產(chǎn)品充電器的通用性問題[1]。人們可以像使用無線網(wǎng)絡(luò)一樣在家里或者餐廳、酒店、機場等公用場所隨時隨地對電子產(chǎn)品進行無線充電。無線充電技術(shù)將推動未來智能產(chǎn)品的發(fā)展，對可穿戴式設(shè)備、智能家居產(chǎn)品、電動汽車等新興產(chǎn)品的普及和產(chǎn)業(yè)化起到至關(guān)重要的作用。

1 無線充電技術(shù)

無線充電技術(shù)，又稱作感應(yīng)充電、非接觸式感應(yīng)充電，源于無線電力輸送技術(shù)，是利用近場感應(yīng)，也就是電感耦合。

在歷史上很早就出現(xiàn)了無線充電技術(shù)相關(guān)的理念，早在19世紀(jì)30年代邁克爾·法拉第就發(fā)現(xiàn)磁場的變化會在電線中產(chǎn)生電流，這就是著名的法拉第電磁感應(yīng)原理。在19世紀(jì)90年代，尼古拉·特斯拉發(fā)明了“特斯拉線圈”，能夠通過空氣傳播電力，開啟了無線式電力傳播的時代，實現(xiàn)了交流發(fā)電。但是由于材料等多方面技術(shù)的限制，特斯拉的大膽構(gòu)想并沒有得到實現(xiàn)，關(guān)于無線充電方面的技術(shù)研究一直進展緩慢。

近年來，無線充電技術(shù)獲得了巨大的突破與發(fā)展，在充電距離和充電轉(zhuǎn)化率上不斷提高，并且已經(jīng)一些電子產(chǎn)品上已經(jīng)得到了應(yīng)用。無線充電技術(shù)通過使用線圈之間產(chǎn)生的感應(yīng)磁場，來傳輸電能，電感耦合技術(shù)將會成為連接無線充電器和用電設(shè)備之間的橋梁。無線充電技術(shù)具有比較高的便捷性和通用性，它將改變當(dāng)前大部分設(shè)備都需要通過金屬電線連接充電器與用電器進行充電的現(xiàn)狀。[2]

2 主要無線充電技術(shù)原理

按照供電原理，目前的無線充電技術(shù)主要有電磁感應(yīng)、電場耦合、磁共振、和電波接收4種技術(shù)方式。

電磁感應(yīng)方式是利用發(fā)射端線圈和接收端線圈之間的電磁感應(yīng)實現(xiàn)無線電能傳輸。電磁感應(yīng)無線充電技術(shù)比較成熟，成本比較低，可以實現(xiàn)微型化。從微小電力到100kW以上的大電力均可高效傳輸，已經(jīng)實際應(yīng)用于多種設(shè)備。電磁感應(yīng)方式的充電轉(zhuǎn)化率大約在80%左右，如果要保證充電轉(zhuǎn)化率，線圈之間的位置必 須保持對齊，不能夠產(chǎn)生偏移，因此只適合于短距離充電的電子產(chǎn)品。

磁共振方式是利用電流通過線圈產(chǎn)生同頻率的磁場共振來實現(xiàn)電能無線傳輸?shù)姆绞健＿@種技術(shù)方式可以實現(xiàn)向幾十米甚至幾米的較遠(yuǎn)距離位置的設(shè)備進行無線電能傳輸，只要保持在充電底座的垂直方向上，具有較高的自由度。但是，磁共振無線充電方式對于材料的要求較高，在傳輸過程中能量也會隨距離增大而衰減，因此充電效率相對較低，大概在70%左右。

電場耦合方式是在供電側(cè)和受電側(cè)設(shè)置電極、利用兩電極間產(chǎn)生的電場來進行無線充電的技術(shù)方式。相比較前兩種技術(shù)方式，電場耦合方式具有充電位置自由、電極薄、電極部的溫度不會上升等特點。但是，其傳輸距離仍然較短，充電效率在70%左右，需采用高頻電流來完成傳輸因而成本較高，不易實現(xiàn)產(chǎn)品微型化，不適合低功率無線充電使用。

電波接收也是一種較為成熟的無線充電方式，將電能以微波或者激光形式發(fā)射到遠(yuǎn)程的接收設(shè)備，然后通過整流、調(diào)制等處理后進行使用。這種技術(shù)方式適合應(yīng)用于大范圍、長距離且不易受環(huán)境影響的電能傳輸，如空間太陽能電站、低軌道和同步軌道衛(wèi)星供電、傳感器網(wǎng)絡(luò)終端供電。

無線充電技術(shù)正在不斷發(fā)展，在傳輸穩(wěn)定性、傳輸距離上不斷提升，電能轉(zhuǎn)化率也在不斷提高，很快將能達(dá)到98%。除此之外，其他新的無線充電技術(shù)方案也在不斷涌現(xiàn)，未來無線充電技術(shù)的發(fā)展勢必對產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計起著至關(guān)重要的作用。

3 無線充電技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

從無線充電技術(shù)在市場上的應(yīng)用來看，目前大部分運用無線充電的產(chǎn)品基本上都采用的是短距離感應(yīng)耦合技術(shù)，領(lǐng)域也并不是非常廣泛，主要應(yīng)用于電動牙刷和部分智能手機以及智能硬件上，在牙刷底部、手機背部和充電底座集成線圈，產(chǎn)生磁場，通過兩個線圈的相互作用傳輸電流，從而實現(xiàn)無線充電。這項技術(shù)的一大缺陷在于傳輸距離較短，并且線圈之間必須保持對齊，所以很多支持無線充電的手機，需要較為精確地擺放在無線充電底座上，才能正常充電，從使用體驗上還沒有達(dá)到人們‘放之即充’的需求。

各類無線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)競爭激烈，目前全球無線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要有Qi標(biāo)準(zhǔn)、A4WP標(biāo)準(zhǔn)和PMA標(biāo)準(zhǔn)三種。從市場規(guī)模上，作為短距離感應(yīng)耦合技術(shù)代表的Qi無疑是目前最為普及的，是消費領(lǐng)域的最主流無線充電標(biāo)準(zhǔn)，成員包括微軟、松下、三星、索尼、東芝等等。目前，Qi標(biāo)準(zhǔn)從移動終端向高功率的數(shù)碼產(chǎn)品，甚至基礎(chǔ)設(shè)施無線充電設(shè)備領(lǐng)域不斷擴展，全球市場上已有上千款Qi認(rèn)證產(chǎn)品，包括產(chǎn)品和組件。三星最新發(fā)布的三星 Galaxy S6便采用了Qi無線充電標(biāo)準(zhǔn)。

另一大無線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)A4WP則是采用諧振耦合技術(shù)，其無線充電技術(shù)名為“Rezence”，目前還處于市場推廣階段，更多的在電子消費展上展出，并沒有正式商用。A4WP采用了更大的輸出線圈從而提高傳輸效率，能夠同時為多臺設(shè)備充電。由于設(shè)定了精確的共振頻率，即使微弱的感應(yīng)磁場也能為設(shè)備充電，這意味著A4WP的充電范圍會比Qi大很多，也無需準(zhǔn)確地將充電器和電子產(chǎn)品對齊。目前A4WP聯(lián)盟已有超過40個成員，包括英特爾、三星、Qualcomm、Broadcom等。諧振耦合式無線充電技術(shù)是目前最被看好的無線充電技術(shù)之一，從長遠(yuǎn)來看具有廣泛發(fā)展空間及應(yīng)用前景。

PMA的產(chǎn)品雖然可以在市場中找到，但為數(shù)不多，其最大的商業(yè)活動是通過與星巴克合作，在美國部分的星巴克店鋪里為顧客提供免費的無線充電服務(wù)，但反響一般。

目前，主要產(chǎn)業(yè)集群正在進行重組，在2014年的CES展會上，兩大無線充電聯(lián)盟PMA和A4WP宣布合并，未來將致力于整合磁共振和磁感應(yīng)技術(shù)，實現(xiàn)多種模式的充電方式。[3]

4 無線充電技術(shù)發(fā)展前景

無線充電技術(shù)正朝著更遠(yuǎn)、更高效、更便捷的方向不斷發(fā)展，隨著技術(shù)的不斷優(yōu)化，無線充電勢必將在智能穿戴、智能家居、電動汽車、等各領(lǐng)域起著巨大的推動作用。

首先是智能穿戴市場，隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展和人們生活習(xí)慣的改變，智能可穿戴式產(chǎn)品正不斷涌現(xiàn)，所伴隨的是人們對于智能產(chǎn)品電池續(xù)航能力的擔(dān)憂，加入無線充電功能無疑能夠提升這些產(chǎn)品的用戶體驗，從而使用戶能夠真正自由無束縛地使用這些產(chǎn)品。與此同時，智能家居行業(yè)也在近年來迅速崛起，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，使家居智能化變成了現(xiàn)實。智能家居也同網(wǎng)絡(luò)一樣必將朝著無線化進行發(fā)展，而無線充電則是家居智能化的必備技術(shù)之一。智能家居和無線充電兩大領(lǐng)域一旦完美結(jié)合，勢必進一步改變?nèi)祟惖纳睢?/p>

無線充電技術(shù)對于電動汽車市場也是意義重大。隨著人們對于環(huán)境保護越來越重視，未來電動汽車的普及是汽車行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，傳統(tǒng)汽車由于加油的特殊性，必須通過管道輸油的方式為汽車進行加油。而電動汽車由于提供汽車能源的是電力，使“無線加油”成為了可能，利用無線充電技術(shù)，使汽車充電變得更加方便。一些科研人員已經(jīng)設(shè)計出在道路建設(shè)中直接鋪設(shè)充電線圈的方案，未來在馬路上行駛便再也不用關(guān)心是否需要加油充電了。

除此之外，無線充電技術(shù)在醫(yī)療裝備市場也有非常高的應(yīng)用價值。在醫(yī)療裝備上運用無線充電技術(shù)，可以使急救裝備始終處于電池充足的狀態(tài)，從而提高了急救裝備在惡劣環(huán)境下的安全性，為急、危、重患者和突發(fā)事件傷員的救護提供了有力的保障。

5 初探無線充電公共服務(wù)設(shè)計

筆者通過人們在餐飲場所行為習(xí)慣的觀察和分析，結(jié)合無線充電技術(shù)及智能時代人們使用習(xí)慣的特點，提出了一套以無線充電作為入口的公共服務(wù)系統(tǒng)方案。

“充電-連網(wǎng)-服務(wù)”是智能時代中人們在餐飲場所面臨的三大主要問題。(1)充電:智能產(chǎn)品的使用頻率不斷提高，但是其電池續(xù)航能力始終還未完全滿足人們的需求。人們往往會選擇在用餐時間為自己的智能手機或者其他移動設(shè)備進行充電，尤其是晚上，移動設(shè)備經(jīng)過一天的使用消耗了大部分的電量，非常有充電的需要。因此，移動電源也逐漸成為越來越多人包中不可缺少的一件產(chǎn)品，然而，移動電源的攜帶以及充電線的使用也常常給人們帶來了許多不便。(2)連網(wǎng):在智能時代，現(xiàn)代人已經(jīng)很難適應(yīng)沒有網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的環(huán)境。在中國的餐飲店等公共場所會有免費無線網(wǎng)絡(luò)提供，人們需要通過詢問服務(wù)人員或者其他驗證方式獲取使用無線網(wǎng)絡(luò)的權(quán)限。(3)服務(wù):由于用餐高峰時間、餐桌的位置等各種客觀原因，人們經(jīng)常會遇到工作人員無法及時提供服務(wù)的情況。

針對以上問題，筆者認(rèn)為可以通過一個以無線充電作為入口、幫助顧客自動接入無線網(wǎng)絡(luò)并進行在線自助服務(wù)的智能餐飲服務(wù)系統(tǒng)來解決這些問題。具體方案如下:

在每個餐桌安裝無線充電裝置，通過無線網(wǎng)絡(luò)與餐廳服務(wù)管理系統(tǒng)相連接。當(dāng)用戶將移動設(shè)備放在餐桌時，無線充電裝置會讀取到用戶數(shù)據(jù)并對設(shè)備進行充電，此時，用戶可以選擇是否需要接入餐廳提供的無線網(wǎng)絡(luò)。由于無線充電設(shè)備已自動讀取了用戶的相關(guān)數(shù)據(jù)，用戶不再需要輸入密碼或者通過手機號驗證等其他方式進行無線網(wǎng)絡(luò)登錄，在使用體驗上得到了優(yōu)化。當(dāng)用戶接入餐廳無線網(wǎng)絡(luò)后，可以繼續(xù)選擇是否使用餐廳自助服務(wù)，通過系統(tǒng)中的電子菜單，用戶可以在自己的移動設(shè)備上進行點單服務(wù)。如果幾個人一起用餐，不再需要像傳統(tǒng)方式那樣傳閱菜單，在自己的位置上并可以通過手機查看菜單并進行點餐。用餐結(jié)束后，用戶還可以直接在自己的智能終端上進行結(jié)賬。

目前，有一些餐廳已經(jīng)開始了在線自助服務(wù)的使用，無線充電公共服務(wù)系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上有了進一步的提升。首先，它滿足了顧客在用餐時充電的需求。其次，它不再需要用戶手動驗證或者登陸賬戶，通過無線充電端便能自行識別用戶信息。此外，它還實現(xiàn)了多用戶終端共同操作的可能。

6 結(jié)語

無線充電技術(shù)的發(fā)展將會給人們的智能生活帶來巨大的便利，減少了對電源線的依賴，對于提升用戶體驗、節(jié)省資源等具有重要的意義。隨著人們生活水平的提高，個人智能終端設(shè)備的飛速發(fā)展，在未來的各種場合，無論是家中、還是公共場所，無線充電技術(shù)勢必要扮演著重要的角色，為提高人們生活體驗所服務(wù)。無線充電技術(shù)將對未來智能家居、智能可穿戴式設(shè)備、電動汽車以及智慧城市相關(guān)服務(wù)的普及和產(chǎn)業(yè)化起到至關(guān)重要的作用。但是，無線充電市場的發(fā)展仍然會遇到一些阻礙，包括無線充電設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、兼容性、政策規(guī)范的不匹配等，這些問題還有待相關(guān)各方去解決。如何將無線充電技術(shù)融入未來智能產(chǎn)品以及服務(wù)的設(shè)計開發(fā)中，為人們創(chuàng)造一個更加便捷更加智能的無線互聯(lián)生活環(huán)境，是一個值得深入研究探討的課題。

參考文獻(xiàn):

[1]飛兆半導(dǎo)體.無線充電器技術(shù)和解決方案[J].電子產(chǎn)品世界, 2013.

[2]劉崎.淺談無線充電器的興起與發(fā)展前景[J].科技風(fēng),2014,(22): 120-120.

[3]祝毓,揚帆.全球無線充電技術(shù)及其發(fā)展態(tài)勢分析[J].華東科技, 2015,(1):72-75.