引言:日前,一家本土公司的技术总监表示,“国际上的主流的无线充电研究,都是在向着大功率和远距离的方向发展,也许20年后会取得巨大的成功。但是我的着眼点是如何可以利用这个技术去减少一次性电池的使用量,减少充电器的种类和数量。方向稍有不同。但我坚信我的方向短期内就能造福人类。”他认为,目前这些国际大厂在无线充电领域的发展方向是错误的。那么该公司的无线充电技术思路又是如何?

  我们生活在一个由线缆环绕的世界,但是这太麻烦了,不但影响美观而且不环保。布线需要使用大量的铜、塑料以及人力等资源,同时你在进行家居装修或建筑设计的时候总是要给线缆预留位置。因此,我们一直在寻找一种有效的、安全的、可以无线传输供电的设备,其中诞生的一个副产品就是微波炉。

  无线充电技术在消费类市场表现出巨大的潜力。在不使用连线的情况下给电子设备充电不但可为便携式设备用户提供一种便利的解决方案,而且还让广大设计人员能够寻找到更具创新性的问题解决方法。许多电池供电型便携式设备均能受益于这种技术,从手机到电动汽车不一而足。

  科学家和工程师们在近两个世纪前就已经知道,传递电力并不需要电线始终保持物理接触。电动机和电力变压器中含有线圈,这些线圈可以通过电磁感应现象相互传输能量。发射线圈中的电流可以通过电磁感应使另一个接收线圈产生电流;两个线圈离得很近,但并没有发生接触。但是科学家也发现无线电波中带有电磁辐射,但是通过传统的电磁辐射把能量从一个点转移到另一个点的效率是非常低的,因为电磁波通常会向四周扩散,大部分能量都会在传播过程中丢失。此外,这种做法也很危险,尤其是当电磁辐射的量级超出人体可以承受的范围。

        无线供电技术现状

  从目前来看,电力无线传输技术主要有三种:电磁感应型(利用电流通过线圈产生磁力实现近程无线供电)、电波接受型(电力转换成电波近程无线供电)、磁场共鸣型(利用磁场等共鸣效应近程无线供电),以上几种技术的发展方向始终集中在对电力发送装置和接受装置的改进上。电波接受型技术的方向主要在于如何提高电流的Q值以及保持传输效率,这对于低功率的消费电子产品来说意义不大,相对来书磁共振和电磁感应技术更有商用推广的价值。

  美国麻省理工学院(MIT)于2007年6月、美国英特尔公司于2008年8月分别发表了使用磁场耦合共鸣的技术,使用该技术有望给行驶中的汽车进行充电,尽管其传输效率只有40%左右。基于磁场耦合共鸣技术,日本索尼公司开发了延长无线传输距离的技术“Repeater Device”,使用该技术可以不用电源线向远至50cm的电视机传输60W电力。相关的技术也被中国的海尔在2010年美国举行的CES展上展示其“无尾电视”。

  电感耦合是另一种高效和通用的无线充电方式,主要是分别在供电部分和接收部分设置电极,利用电极间产生的电场来供电的方式。由于在电极之间会产生电容耦合效应,因此电场耦合方式也被称为电容耦合方式。在去年深圳举行的高交会电子展上,村田就展出了一款支持移动设备充电的电场耦合式无线电力传输模块,通过内置入移动设备的RFIC以及植入充电模块的充电板,就可以实现“无线充电”功能。

  新型共鸣方式的非接触充电也已亮相。这就是竹中工务店正在开发的、使用电场耦合共鸣的技术。该技术虽然需要使送电端与受电端紧贴,但却支持水平方向的错位,不会象目前已实用化的、由线圈向线圈供电的电磁感应式非接触充电技术那样,在异物侵入时会出现发热、电磁波及高频波等问题。而且,与电磁感应方式不同,共鸣方式不使用铁氧体及利兹线圈,因此可降低产品的重量及成本。

  此外,索尼发布的卡片相机TX300V/TX200V,夏普发布的SH-13C手机,均采用无线充电功能,其中SH-13C透过无线充电,将手机搭配的1230mAh电池充满约需2至2.5个小时。美国高通(Qualcomm)则开发出一款采用磁共振方式进行无线供电的“eZone”,可以为搭配充电台座的“iPhone”充电。据测试,如果为1000mAh容量的电池充电,2小时内便可充满。

 

  除了这些国际厂商,在国内相关的产品也不少。打开淘宝,搜索“无线充电器”,可以看到上百种针对iPhone的无线充电板或手机套,价格从100多元到900多元不等。这种产品(类似产品如“点金石”)一般分为两个部分:一部分为充电板,另一部分为与手机连接的电源接收器,其实现原理依然是电磁感应,不过毛病也有不少。这些淘宝产品一方面存在发热量大和电磁辐射的问题;另一方面没有对于错误充电的ID认证方法,容易酿成危险,同时在充电时也无法进行上网等数据传输。此外,针对不同的电池,充电的要求也不尽相同。

         WPC标准的建立

  为了解决以上的难题,专门针对于无线电源的行业标准组织——无线充电联盟(WPC)成立了。该组织成立于2008年,由亚洲、欧洲和美国的各行业公司组成,其中包括电子设备制造厂商和原始设备制造商(OEM)。WPC标准定义了电感耦合(线圈结构)的类型,以及低功耗无线设备所用的通信协议。在这种标准下工作的任何设备都可以与任何其他WPC兼容设备配对。获得WPC联盟的认证的产品,将被标识“Qi”字样的LOGO,具有“Qi”的终端,可以在所有标有该LOGO的充电板上充电。并且,获得Qi标识后,不用向WPC联盟付费。

  这种方法的一个重要的好处是其利用这些线圈来实现电力发送器和电力接收器之间的通信。WPC标准定义了系统的三个主要方面——提供电力的电力发送器、使用电力的电力接收器以及这两种设备之间的通信协议。在WPC标准下,无线传输的“功耗”设定为5W以下,达到这一标准范围的系统在两个平面线圈之间使用电感耦合来将电力从电力发送器传输给电力接收器。两个线圈之间的距离一般为5mm。

  除此之外,WPC还定义了电力发射与接收之间的通信协议,包括模拟和数字声脉冲(pinging);身份识别和配置以及电力传输。电力接收器可以根据对充电设备身份的识别决定“终止充电”或进入低功耗状态。

  无线充电技术的新方向

  “国际上的主流的无线充电研究,都是在向着大功率和远距离的方向发展,也许20年后会取得巨大的成功。但是我的着眼点是如何可以利用这个技术去减少一次性电池的使用量,减少充电器的种类和数量。方向稍有不同。但我坚信我的方向短期内就能造福人类。”深圳市威特尔科技有限公司技术总监赵志斌认为,目前这些国际大厂在无线充电领域的发展方向是错误的。他的想法是针对手机等产品,要直接把无线充电做进电池,成本要降低到5块甚至2块。他的最终目标是把小功率、微功率的无线充电的应用范围极大的扩展:从手机的电池、MP4、MP3,一直到手电、小台灯、狗牌、无线鼠标、儿童玩具、遥控器这些目前还在使用一次性电池的领域里,用无线充电加二次电池的方法,减少一次电池用量。他总结了目前市面上主流的几种产品,认为目前这些产品在发热量、产品厚度、所占体积方面都仍然不理想,无法大量的推广使用。

  “目前把无线充电放进电池的,只有夏普,但是它的接收组件,占去了电池的40%的体积呀。也就是说电池的容量只有60%了。可是我们可以做到还有90%的容量,只占去电池的10%的体积,或者是更少。”赵志斌认为,薄型化对于小功率无线充电的应用范围的影响非常大,只有把体积做到10%以内才有意义。他同时表示,阻碍着无线充电技术应用的最核心的技术,不是电子技术,恰好就是关于如何在电池旁边可以放置接收线圈并有很薄的厚度的实现方法。“在这个领域上,我们公司无疑走在了世界的前列,可以较好的解决有效隔离磁场和减少屏蔽物质厚度之间的矛盾。”

  由于电池实际上就是一团金属,发射线圈产生的交变磁场会使得电池中的金属产生涡流,转化为热量,同时产生反向的磁场,抵消掉发射线圈产生的磁场强度,使得接收线圈接收电压下降。为了降低电池中的涡流,就必须在接收线圈和电池之间放置一些阻隔磁场的东西,这种东西通常被称作“磁屏蔽物质”。赵志斌表示,目前国际上针对该种物质的研究,主要集中在强磁场的50赫兹的环境,又或者是弱电磁场的兆赫到吉赫频段的环境,针对无线充电使用的强电磁场100千赫兹上下的研究几乎为空白。

  “实际上如果真的有非常的厚度要求的话,可以做到比0.5更薄。因为我们开发出来的屏蔽膜很薄。只有0.1毫米厚,效果比两毫米厚的铁氧体还要好。功率损耗比铁氧体也要低的多。这个领域我们是走在世界的最前列的。”赵志斌表示,目前他们已开发出0.1毫米厚的屏蔽膜,此前这一领域最领先的厂商为日本的TDK,同时其磁性线圈也号称可以达到业界最薄。

  但在具体的推广中,赵志斌也遇到了一些困难,主要是目前除了WPC之外,没有针对他的产品的行业标准,因为他的设想是不符合WPC标准的。他希望能自己成立一个小功率无线充电联盟(WMPTC),并且针对国内厂商进行推广。同时如果要将无线充电装置做到电池内,还要降低成本,就必须以芯片的形式来做。

  目前只有德州仪器(TI)在WPC的标准下开发了无线充电接收芯片bq51013,但是价格仍然比较昂贵,同时辐射屏蔽方面也存在问题。“我们的接收芯片做出来后,则不会存在这些问题,同时价格也会非常便宜。”赵志斌认为,要实现无线充电的意义,一定要实现通用化。否则意义并不大。通用化以后,可以大幅度滴减少充电器数量,减少废弃充电器数量。此外,用无线充电技术加二次电池去替代一次性干电池,更可以大幅度减少废弃干电池数量。