聊一聊無(wú)線充電那些事兒

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)天線不好設(shè)計(jì)的原因在，但還有一點(diǎn)，就是對(duì)于無(wú)線充電功能的考慮。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)開始支持無(wú)線充電，不知道各位讀者手中的手機(jī)里是否也集成了無(wú)線充電的功能呢？對(duì)于各位來(lái)說(shuō)，無(wú)線充電的加入有沒(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)線輸電的構(gòu)想，發(fā)明了“特斯拉線圈”，開啟了無(wú)線式電力傳播時(shí)代的大門。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)線充電聯(lián)盟WPC，共同制定無(wú)線充電標(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)線充電標(biāo)準(zhǔn)。

我們先來(lái)說(shuō)說(shuō)，具體什么是無(wú)線充電。顧名思義，無(wú)線充電技術(shù)是指無(wú)需借助電導(dǎo)線，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)線充電技術(shù)有四種，分別是電磁感應(yīng)、磁共振、無(wú)線電波和電場(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)真聽講，其概念也很簡(jiǎn)單，就是當(dāng)電流通過(guò)線圈時(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)線充電就是這么一個(gè)過(guò)程，無(wú)線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)線充電線圈，因?yàn)榈鬃艌?chǎng)不斷變化，所以線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，就是它做不到真正的無(wú)線充電，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圈上，一邊無(wú)線充電一邊玩的場(chǎng)景十分受到限制。所以，這就是如今無(wú)線充電很尷尬的地方，在絕大數(shù)場(chǎng)景下，無(wú)線充電并不是真的”無(wú)線”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、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)線充電技術(shù)還是可以提供一些便利性的，放下即開始充電，有事兒便可以將手機(jī)那走，不用在多一步拔掉充電線的操作，這時(shí)，無(wú)線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)射天線更大的波束了，手機(jī)上的接收天線，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的無(wú)線充電，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。