聊一聊無(wú)線(xiàn)充電那些事兒
不知道各位有沒(méi)有發(fā)現(xiàn),近些年的智能手機(jī)在材質(zhì)的選擇上,無(wú)論是高端與否,都開(kāi)始有意將金屬材質(zhì)排除在手機(jī)之外。固然,這里面有控制成本和全金屬機(jī)身信號(hào)天線(xiàn)不好設(shè)計(jì)的原因在,但還有一點(diǎn),就是對(duì)于無(wú)線(xiàn)充電功能的考慮。在2023年的今天,市面上的手機(jī)已經(jīng)有越來(lái)越多的型號(hào)開(kāi)始支持無(wú)線(xiàn)充電,不知道各位讀者手中的手機(jī)里是否也集成了無(wú)線(xiàn)充電的功能呢?對(duì)于各位來(lái)說(shuō),無(wú)線(xiàn)充電的加入有沒(méi)有提高手機(jī)的使用體驗(yàn)?zāi)??這篇文章,我們就來(lái)說(shuō)道說(shuō)道。
其實(shí)無(wú)線(xiàn)充電這項(xiàng)技術(shù)并不是一項(xiàng)全新的技術(shù)手段,早在1890年,塞爾維亞裔美籍物理學(xué)家兼電氣工程師尼古拉·特斯拉就提出了無(wú)線(xiàn)輸電的構(gòu)想,發(fā)明了“特斯拉線(xiàn)圈”,開(kāi)啟了無(wú)線(xiàn)式電力傳播時(shí)代的大門(mén)。但是,特斯拉的腦洞過(guò)大,就算是今天也難以實(shí)現(xiàn),更不用說(shuō)100多年前了。而我們今天智能手機(jī)中所采用的無(wú)線(xiàn)充電標(biāo)準(zhǔn)則是在2008年12月,由飛利浦電子、德州儀器等幾大公司攜手組建無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟WPC,共同制定無(wú)線(xiàn)充電標(biāo)準(zhǔn)Qi并在其誕生的十幾年的時(shí)間中,被廣泛采用,成為了全球分布范圍最廣、最普及的無(wú)線(xiàn)充電標(biāo)準(zhǔn)。
我們先來(lái)說(shuō)說(shuō),具體什么是無(wú)線(xiàn)充電。顧名思義,無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)是指無(wú)需借助電導(dǎo)線(xiàn),在發(fā)送端和接收端用相應(yīng)的設(shè)備發(fā)送和接收產(chǎn)生感應(yīng)的交流信號(hào)來(lái)進(jìn)行充電的一項(xiàng)技術(shù)。無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)有四種,分別是電磁感應(yīng)、磁共振、無(wú)線(xiàn)電波和電場(chǎng)耦合。而目前的智能手機(jī)主流都是采用的Qi標(biāo)準(zhǔn)就是以電磁感應(yīng)原理來(lái)為手機(jī)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電。
所謂電磁感應(yīng),中學(xué)物理課上曾經(jīng)講過(guò)這個(gè)概念,不知道各位當(dāng)時(shí)有沒(méi)有認(rèn)真聽(tīng)講,其概念也很簡(jiǎn)單,就是當(dāng)電流通過(guò)線(xiàn)圈時(shí),會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),當(dāng)閉合電路磁通量發(fā)生變化時(shí),會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。無(wú)線(xiàn)充電就是這么一個(gè)過(guò)程,無(wú)線(xiàn)充電底座的作用就是將變化的電流轉(zhuǎn)換成磁場(chǎng),而手機(jī)背板里的的無(wú)線(xiàn)充電線(xiàn)圈,因?yàn)榈鬃艌?chǎng)不斷變化,所以線(xiàn)圈中的磁通量也在不斷變化,產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),從而進(jìn)行充電。使用電磁感應(yīng)進(jìn)行充電最大的優(yōu)點(diǎn)就是能量效率較高、技術(shù)簡(jiǎn)單。但是其缺點(diǎn)也顯而易見(jiàn),就是它做不到真正的無(wú)線(xiàn)充電,它的有效傳輸距離只有1cm左右,并且,充電效率也受到手機(jī)擺放位置的影響,因此,還是需要手機(jī)時(shí)刻都準(zhǔn)確地放在充電底座的線(xiàn)圈上,一邊無(wú)線(xiàn)充電一邊玩的場(chǎng)景十分受到限制。所以,這就是如今無(wú)線(xiàn)充電很尷尬的地方,在絕大數(shù)場(chǎng)景下,無(wú)線(xiàn)充電并不是真的”無(wú)線(xiàn)”充電,手機(jī)必須要放在充電器之上,對(duì)于可以邊沖邊玩的傳統(tǒng)有充電來(lái)說(shuō),甚至還更麻煩了。但是,如果是在汽車(chē)、辦公室等不經(jīng)常使用手機(jī)的場(chǎng)景中使用,目前的無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)還是可以提供一些便利性的,放下即開(kāi)始充電,有事兒便可以將手機(jī)那走,不用在多一步拔掉充電線(xiàn)的操作,這時(shí),無(wú)線(xiàn)充電還是有它存在的價(jià)值的。
那么,現(xiàn)在有沒(méi)有一種可以做到真的無(wú)線(xiàn)充電的技術(shù)呢?其實(shí)還是有一些概念機(jī)型存在的,就比如小米公司于2021年推出的隔空充電技術(shù)就是其中之一。雖然直到今天,這項(xiàng)技術(shù)還是沒(méi)能商用,但我們還是能在其中,一窺未來(lái)的“真·無(wú)線(xiàn)充電”的產(chǎn)品技術(shù)和其形態(tài)。
小米隔空充電技術(shù)
第一,我們先來(lái)解釋一下什么是隔空充電,上文也提到過(guò),目前的電磁感應(yīng)技術(shù)只能做到1cm之內(nèi)的能量傳輸,而隔空充電,就是要大大延長(zhǎng)這個(gè)距離。隔空充電,是用天線(xiàn)把電路中的電流轉(zhuǎn)化為空間中的電磁波,即把能量從設(shè)備里輻射到空間中,再在一定距離之外,用天線(xiàn)把空間中的電磁波轉(zhuǎn)化為電路中的電流,實(shí)現(xiàn)能量的接收。
第二,我們來(lái)看看目前想要實(shí)現(xiàn)隔空充電需要克服什么困難。
首先,就是要解決電磁波的定向性(術(shù)語(yǔ)叫天線(xiàn)方向系數(shù)),打個(gè)比方來(lái)說(shuō),就是我們需要做出一個(gè)手電筒高度集中的傳輸,而不是一臺(tái)電燈四面八方照。所以,我們就需要波束賦形技術(shù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題,所謂波束賦形,就是利用波的干涉現(xiàn)象,來(lái)控制電磁波的方向。想象一下,你往湖中很近的兩點(diǎn)扔了分別扔了一塊石頭,那么它們激起的漣漪,一定就是下圖這樣。
水中的漣漪
可以看出,有的地方水波增強(qiáng),有的地方則減弱,并且增強(qiáng)和減弱的地方間隔分布,在最中間的狹窄區(qū)域最為明顯。如果波峰和波峰,或者波谷和波谷相遇,則能量相加,波峰更高,波谷更深。這種情況叫做相長(zhǎng)干涉。反之,如果波峰和波谷相遇,兩者則相互抵消,震動(dòng)歸于靜寂。這種情況叫做相消干涉。如果把這個(gè)現(xiàn)象擴(kuò)展到電磁波上,就會(huì)得到下圖
這樣就能將原本發(fā)散的能量集中到一條直線(xiàn)之上,從而實(shí)現(xiàn)隔空輸送電力,為手機(jī)充電。一般,頻率越高,越容易做到高定向性,穿透性越差,因此,就需要增大陣列的的面積,從而收窄波束,但是一旦這樣做,且不說(shuō)電磁波段的使用是有嚴(yán)格規(guī)定的,單單產(chǎn)品的體積就很難控制。
其次,便是手機(jī)位置的實(shí)時(shí)跟蹤。作為一個(gè)手電筒,它必須要知道自己需要照哪個(gè)方向,其實(shí)實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)功能的技術(shù)很早就存在,并且已經(jīng)在軍事上大規(guī)模運(yùn)用,這便是雷達(dá)上的相控陣技術(shù),如果各位想要了解什么是相控陣技術(shù),可以移步下面這篇文章,這里就不展開(kāi)闡述了。
有源相控陣與無(wú)源相控陣?yán)走_(dá)
http://m.butianyuan.cn/article/202208/437292.htm
雖然技術(shù)上很容易解決,但是在商業(yè)的角度上看,相控陣技術(shù)最大的問(wèn)題就是十分昂貴,短期內(nèi),很大大規(guī)模進(jìn)入市場(chǎng)。
最后,便是難以接收。就像手電筒一樣,幾米之外,手電筒的光就會(huì)發(fā)散成一個(gè)遠(yuǎn)比手電筒口徑大的光斑;波束再怎么聚焦,在幾米外也已經(jīng)是一個(gè)截面積比發(fā)射天線(xiàn)更大的波束了,手機(jī)上的接收天線(xiàn),撐死了跟手機(jī)一樣大,最多在這個(gè)波束里“截”下來(lái)跟手機(jī)那么大面積內(nèi)的能量,大部分能量還是浪費(fèi)掉了。況且手機(jī)接收天線(xiàn)設(shè)計(jì)有諸多限制條件,要做到高孔徑效率很難,而且有角度依賴(lài)性。很有可能隔空充電底座的發(fā)射功率是100W,到了手機(jī)這里只剩了5W甚至更低,大量的電能會(huì)白白浪費(fèi)掉。
總之,如今的隔空無(wú)線(xiàn)充電還是一個(gè)技術(shù)上可能成熟,但是工程上問(wèn)題很大的新產(chǎn)品,小米在2021年推出的概念產(chǎn)品,到今天也沒(méi)有正式量產(chǎn),就證明了實(shí)用的隔空充電技術(shù)還有許多問(wèn)題,筆者認(rèn)為,在未來(lái)的5年內(nèi)傳統(tǒng)的磁感應(yīng)式無(wú)線(xiàn)充電,仍然會(huì)是市場(chǎng)的主流形態(tài)。如今,更有可能快速推入市場(chǎng)的,更有可能是新能源汽車(chē)的無(wú)線(xiàn)充電,當(dāng)然了其采用的技術(shù),應(yīng)該依舊是傳統(tǒng)的磁感應(yīng)式。
評(píng)論