淺談無線充電技術在智能時代的發展與應用

沈馳鑫(華東理工大學,上海 200237)

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淺談無線充電技術在智能時代的發展與應用

沈馳鑫
(華東理工大學,上海 200237)

【摘 要】智能手機等電子產品已經成為了人們生活中不可或缺的一部分,這些產品豐富了人們的生活,給人們帶來了諸多便利,與此同時,對智能電子產品充電頻率的不斷增加也給人們帶來了困擾,雜亂的數據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,無線充電技術的發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及相關原理,對無線充電的應用現狀和未來發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的公共服務設計方案。

【關鍵詞】無線充電 智能產品 服務設計

隨著科技的發展，智能電子產品迅速普及，各類智能產品已經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、可穿戴式設備等不同種類的充電器和充電線，雜亂的數據線和頻繁的插拔使人們對充電過程感到不勝其煩。人們對充電技術的需求，逐步向智能便捷、簡單通用、節能環保的方向發展。無線充電技術的發展讓人們擺脫了充電所帶來的困擾，人們不再需要數據線給電子產品進行充電；另一方面，也解決了不同電子產品充電器的通用性問題[1]。人們可以像使用無線網絡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品進行無線充電。無線充電技術將推動未來智能產品的發展，對可穿戴式設備、智能家居產品、電動汽車等新興產品的普及和產業化起到至關重要的作用。

1 無線充電技術

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

在歷史上很早就出現了無線充電技術相關的理念，早在19世紀30年代邁克爾·法拉第就發現磁場的變化會在電線中產生電流，這就是著名的法拉第電磁感應原理。在19世紀90年代，尼古拉·特斯拉發明了“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，實現了交流發電。但是由于材料等多方面技術的限制，特斯拉的大膽構想并沒有得到實現，關于無線充電方面的技術研究一直進展緩慢。

近年來，無線充電技術獲得了巨大的突破與發展，在充電距離和充電轉化率上不斷提高，并且已經一些電子產品上已經得到了應用。無線充電技術通過使用線圈之間產生的感應磁場，來傳輸電能，電感耦合技術將會成為連接無線充電器和用電設備之間的橋梁。無線充電技術具有比較高的便捷性和通用性，它將改變當前大部分設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狀。[2]

2 主要無線充電技術原理

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

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

磁共振方式是利用電流通過線圈產生同頻率的磁場共振來實現電能無線傳輸的方式。這種技術方式可以實現向幾十米甚至幾米的較遠距離位置的設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和受電側設置電極、利用兩電極間產生的電場來進行無線充電的技術方式。相比較前兩種技術方式，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，不易實現產品微型化，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射到遠程的接收設備，然后通過整流、調制等處理后進行使用。這種技術方式適合應用于大范圍、長距離且不易受環境影響的電能傳輸，如空間太陽能電站、低軌道和同步軌道衛星供電、傳感器網絡終端供電。

無線充電技術正在不斷發展，在傳輸穩定性、傳輸距離上不斷提升，電能轉化率也在不斷提高，很快將能達到98%。除此之外，其他新的無線充電技術方案也在不斷涌現，未來無線充電技術的發展勢必對產品的開發設計起著至關重要的作用。

3 無線充電技術應用現狀

從無線充電技術在市場上的應用來看，目前大部分運用無線充電的產品基本上都采用的是短距離感應耦合技術，領域也并不是非常廣泛，主要應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，產生磁場，通過兩個線圈的相互作用傳輸電流，從而實現無線充電。這項技術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到人們‘放之即充’的需求。

各類無線充電技術標準競爭激烈，目前全球無線充電技術標準主要有Qi標準、A4WP標準和PMA標準三種。從市場規模上，作為短距離感應耦合技術代表的Qi無疑是目前最為普及的，是消費領域的最主流無線充電標準，成員包括微軟、松下、三星、索尼、東芝等等。目前，Qi標準從移動終端向高功率的數碼產品，甚至基礎設施無線充電設備領域不斷擴展，全球市場上已有上千款Qi認證產品，包括產品和組件。三星最新發布的三星 Galaxy S6便采用了Qi無線充電標準。

另一大無線充電技術標準A4WP則是采用諧振耦合技術，其無線充電技術名為“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，能夠同時為多臺設備充電。由于設定了精確的共振頻率，即使微弱的感應磁場也能為設備充電，這意味著A4WP的充電范圍會比Qi大很多，也無需準確地將充電器和電子產品對齊。目前A4WP聯盟已有超過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是目前最被看好的無線充電技術之一，從長遠來看具有廣泛發展空間及應用前景。

PMA的產品雖然可以在市場中找到，但為數不多，其最大的商業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，但反響一般。

目前，主要產業集群正在進行重組，在2014年的CES展會上，兩大無線充電聯盟PMA和A4WP宣布合并，未來將致力于整合磁共振和磁感應技術，實現多種模式的充電方式。[3]

4 無線充電技術發展前景

無線充電技術正朝著更遠、更高效、更便捷的方向不斷發展，隨著技術的不斷優化，無線充電勢必將在智能穿戴、智能家居、電動汽車、等各領域起著巨大的推動作用。

首先是智能穿戴市場，隨著現代技術的發展和人們生活習慣的改變，智能可穿戴式產品正不斷涌現，所伴隨的是人們對于智能產品電池續航能力的擔憂，加入無線充電功能無疑能夠提升這些產品的用戶體驗，從而使用戶能夠真正自由無束縛地使用這些產品。與此同時，智能家居行業也在近年來迅速崛起，隨著物聯網的發展，使家居智能化變成了現實。智能家居也同網絡一樣必將朝著無線化進行發展，而無線充電則是家居智能化的必備技術之一。智能家居和無線充電兩大領域一旦完美結合，勢必進一步改變人類的生活。

無線充電技術對于電動汽車市場也是意義重大。隨著人們對于環境保護越來越重視，未來電動汽車的普及是汽車行業發展的必然趨勢，傳統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，使汽車充電變得更加方便。一些科研人員已經設計出在道路建設中直接鋪設充電線圈的方案，未來在馬路上行駛便再也不用關心是否需要加油充電了。

除此之外，無線充電技術在醫療裝備市場也有非常高的應用價值。在醫療裝備上運用無線充電技術，可以使急救裝備始終處于電池充足的狀態，從而提高了急救裝備在惡劣環境下的安全性，為急、危、重患者和突發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設計

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

“充電-連網-服務”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:智能產品的使用頻率不斷提高，但是其電池續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備進行充電，尤其是晚上，移動設備經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:在智能時代，現代人已經很難適應沒有網絡服務的環境。在中國的餐飲店等公共場所會有免費無線網絡提供，人們需要通過詢問服務人員或者其他驗證方式獲取使用無線網絡的權限。(3)服務:由于用餐高峰時間、餐桌的位置等各種客觀原因，人們經常會遇到工作人員無法及時提供服務的情況。

針對以上問題，筆者認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絡并進行在線自助服務的智能餐飲服務系統來解決這些問題。具體方案如下:

在每個餐桌安裝無線充電裝置，通過無線網絡與餐廳服務管理系統相連接。當用戶將移動設備放在餐桌時，無線充電裝置會讀取到用戶數據并對設備進行充電，此時，用戶可以選擇是否需要接入餐廳提供的無線網絡。由于無線充電設備已自動讀取了用戶的相關數據，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絡登錄，在使用體驗上得到了優化。當用戶接入餐廳無線網絡后，可以繼續選擇是否使用餐廳自助服務，通過系統中的電子菜單，用戶可以在自己的移動設備上進行點單服務。如果幾個人一起用餐，不再需要像傳統方式那樣傳閱菜單，在自己的位置上并可以通過手機查看菜單并進行點餐。用餐結束后，用戶還可以直接在自己的智能終端上進行結賬。

目前，有一些餐廳已經開始了在線自助服務的使用，無線充電公共服務系統在此基礎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，它還實現了多用戶終端共同操作的可能。

6 結語

無線充電技術的發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，個人智能終端設備的飛速發展，在未來的各種場合，無論是家中、還是公共場所，無線充電技術勢必要扮演著重要的角色，為提高人們生活體驗所服務。無線充電技術將對未來智能家居、智能可穿戴式設備、電動汽車以及智慧城市相關服務的普及和產業化起到至關重要的作用。但是，無線充電市場的發展仍然會遇到一些阻礙，包括無線充電設備標準不統一、兼容性、政策規范的不匹配等，這些問題還有待相關各方去解決。如何將無線充電技術融入未來智能產品以及服務的設計開發中，為人們創造一個更加便捷更加智能的無線互聯生活環境，是一個值得深入研究探討的課題。

參考文獻:

[1]飛兆半導體.無線充電器技術和解決方案[J].電子產品世界, 2013.

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

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