浅谈无线充电技术在智能时代的发展与应用

沈驰鑫(华东理工大学,上海 200237)



浅谈无线充电技术在智能时代的发展与应用

沈驰鑫
(华东理工大学,上海 200237)

【摘 要】智能手机等电子产品已经成为了人们生活中不可或缺的一部分,这些产品丰富了人们的生活,给人们带来了诸多便利,与此同时,对智能电子产品充电频率的不断增加也给人们带来了困扰,杂乱的数据线和频繁的插拔使人们对充电过程感到不胜其烦,因此,人们需要一种更加便捷可靠的充电方法,无线充电技术的发展有效地避免了充电线缆带来的困扰。本文介绍了无线充电技术及相关原理,对无线充电的应用现状和未来发展前景进行了分析和展望,最后提出了一套基于无线充电技术的公共服务设计方案。

【关键词】无线充电 智能产品 服务设计

随着科技的发展，智能电子产品迅速普及，各类智能产品已经成为了人们生活中不可或缺的一部分，人们需要面对身边智能手机、平板电脑、可穿戴式设备等不同种类的充电器和充电线，杂乱的数据线和频繁的插拔使人们对充电过程感到不胜其烦。人们对充电技术的需求，逐步向智能便捷、简单通用、节能环保的方向发展。无线充电技术的发展让人们摆脱了充电所带来的困扰，人们不再需要数据线给电子产品进行充电；另一方面，也解决了不同电子产品充电器的通用性问题[1]。人们可以像使用无线网络一样在家里或者餐厅、酒店、机场等公用场所随时随地对电子产品进行无线充电。无线充电技术将推动未来智能产品的发展，对可穿戴式设备、智能家居产品、电动汽车等新兴产品的普及和产业化起到至关重要的作用。

1 无线充电技术

无线充电技术，又称作感应充电、非接触式感应充电，源于无线电力输送技术，是利用近场感应，也就是电感耦合。

在历史上很早就出现了无线充电技术相关的理念，早在19世纪30年代迈克尔·法拉第就发现磁场的变化会在电线中产生电流，这就是著名的法拉第电磁感应原理。在19世纪90年代，尼古拉·特斯拉发明了“特斯拉线圈”，能够通过空气传播电力，开启了无线式电力传播的时代，实现了交流发电。但是由于材料等多方面技术的限制，特斯拉的大胆构想并没有得到实现，关于无线充电方面的技术研究一直进展缓慢。

近年来，无线充电技术获得了巨大的突破与发展，在充电距离和充电转化率上不断提高，并且已经一些电子产品上已经得到了应用。无线充电技术通过使用线圈之间产生的感应磁场，来传输电能，电感耦合技术将会成为连接无线充电器和用电设备之间的桥梁。无线充电技术具有比较高的便捷性和通用性，它将改变当前大部分设备都需要通过金属电线连接充电器与用电器进行充电的现状。[2]

2 主要无线充电技术原理

按照供电原理，目前的无线充电技术主要有电磁感应、电场耦合、磁共振、和电波接收4种技术方式。

电磁感应方式是利用发射端线圈和接收端线圈之间的电磁感应实现无线电能传输。电磁感应无线充电技术比较成熟，成本比较低，可以实现微型化。从微小电力到100kW以上的大电力均可高效传输，已经实际应用于多种设备。电磁感应方式的充电转化率大约在80%左右，如果要保证充电转化率，线圈之间的位置必 须保持对齐，不能够产生偏移，因此只适合于短距离充电的电子产品。

磁共振方式是利用电流通过线圈产生同频率的磁场共振来实现电能无线传输的方式。这种技术方式可以实现向几十米甚至几米的较远距离位置的设备进行无线电能传输，只要保持在充电底座的垂直方向上，具有较高的自由度。但是，磁共振无线充电方式对于材料的要求较高，在传输过程中能量也会随距离增大而衰减，因此充电效率相对较低，大概在70%左右。

电场耦合方式是在供电侧和受电侧设置电极、利用两电极间产生的电场来进行无线充电的技术方式。相比较前两种技术方式，电场耦合方式具有充电位置自由、电极薄、电极部的温度不会上升等特点。但是，其传输距离仍然较短，充电效率在70%左右，需采用高频电流来完成传输因而成本较高，不易实现产品微型化，不适合低功率无线充电使用。

电波接收也是一种较为成熟的无线充电方式，将电能以微波或者激光形式发射到远程的接收设备，然后通过整流、调制等处理后进行使用。这种技术方式适合应用于大范围、长距离且不易受环境影响的电能传输，如空间太阳能电站、低轨道和同步轨道卫星供电、传感器网络终端供电。

无线充电技术正在不断发展，在传输稳定性、传输距离上不断提升，电能转化率也在不断提高，很快将能达到98%。除此之外，其他新的无线充电技术方案也在不断涌现，未来无线充电技术的发展势必对产品的开发设计起着至关重要的作用。

3 无线充电技术应用现状

从无线充电技术在市场上的应用来看，目前大部分运用无线充电的产品基本上都采用的是短距离感应耦合技术，领域也并不是非常广泛，主要应用于电动牙刷和部分智能手机以及智能硬件上，在牙刷底部、手机背部和充电底座集成线圈，产生磁场，通过两个线圈的相互作用传输电流，从而实现无线充电。这项技术的一大缺陷在于传输距离较短，并且线圈之间必须保持对齐，所以很多支持无线充电的手机，需要较为精确地摆放在无线充电底座上，才能正常充电，从使用体验上还没有达到人们‘放之即充’的需求。

各类无线充电技术标准竞争激烈，目前全球无线充电技术标准主要有Qi标准、A4WP标准和PMA标准三种。从市场规模上，作为短距离感应耦合技术代表的Qi无疑是目前最为普及的，是消费领域的最主流无线充电标准，成员包括微软、松下、三星、索尼、东芝等等。目前，Qi标准从移动终端向高功率的数码产品，甚至基础设施无线充电设备领域不断扩展，全球市场上已有上千款Qi认证产品，包括产品和组件。三星最新发布的三星 Galaxy S6便采用了Qi无线充电标准。

另一大无线充电技术标准A4WP则是采用谐振耦合技术，其无线充电技术名为“Rezence”，目前还处于市场推广阶段，更多的在电子消费展上展出，并没有正式商用。A4WP采用了更大的输出线圈从而提高传输效率，能够同时为多台设备充电。由于设定了精确的共振频率，即使微弱的感应磁场也能为设备充电，这意味着A4WP的充电范围会比Qi大很多，也无需准确地将充电器和电子产品对齐。目前A4WP联盟已有超过40个成员，包括英特尔、三星、Qualcomm、Broadcom等。谐振耦合式无线充电技术是目前最被看好的无线充电技术之一，从长远来看具有广泛发展空间及应用前景。

PMA的产品虽然可以在市场中找到，但为数不多，其最大的商业活动是通过与星巴克合作，在美国部分的星巴克店铺里为顾客提供免费的无线充电服务，但反响一般。

目前，主要产业集群正在进行重组，在2014年的CES展会上，两大无线充电联盟PMA和A4WP宣布合并，未来将致力于整合磁共振和磁感应技术，实现多种模式的充电方式。[3]

4 无线充电技术发展前景

无线充电技术正朝着更远、更高效、更便捷的方向不断发展，随着技术的不断优化，无线充电势必将在智能穿戴、智能家居、电动汽车、等各领域起着巨大的推动作用。

首先是智能穿戴市场，随着现代技术的发展和人们生活习惯的改变，智能可穿戴式产品正不断涌现，所伴随的是人们对于智能产品电池续航能力的担忧，加入无线充电功能无疑能够提升这些产品的用户体验，从而使用户能够真正自由无束缚地使用这些产品。与此同时，智能家居行业也在近年来迅速崛起，随着物联网的发展，使家居智能化变成了现实。智能家居也同网络一样必将朝着无线化进行发展，而无线充电则是家居智能化的必备技术之一。智能家居和无线充电两大领域一旦完美结合，势必进一步改变人类的生活。

无线充电技术对于电动汽车市场也是意义重大。随着人们对于环境保护越来越重视，未来电动汽车的普及是汽车行业发展的必然趋势，传统汽车由于加油的特殊性，必须通过管道输油的方式为汽车进行加油。而电动汽车由于提供汽车能源的是电力，使“无线加油”成为了可能，利用无线充电技术，使汽车充电变得更加方便。一些科研人员已经设计出在道路建设中直接铺设充电线圈的方案，未来在马路上行驶便再也不用关心是否需要加油充电了。

除此之外，无线充电技术在医疗装备市场也有非常高的应用价值。在医疗装备上运用无线充电技术，可以使急救装备始终处于电池充足的状态，从而提高了急救装备在恶劣环境下的安全性，为急、危、重患者和突发事件伤员的救护提供了有力的保障。

5 初探无线充电公共服务设计

笔者通过人们在餐饮场所行为习惯的观察和分析，结合无线充电技术及智能时代人们使用习惯的特点，提出了一套以无线充电作为入口的公共服务系统方案。

“充电-连网-服务”是智能时代中人们在餐饮场所面临的三大主要问题。(1)充电:智能产品的使用频率不断提高，但是其电池续航能力始终还未完全满足人们的需求。人们往往会选择在用餐时间为自己的智能手机或者其他移动设备进行充电，尤其是晚上，移动设备经过一天的使用消耗了大部分的电量，非常有充电的需要。因此，移动电源也逐渐成为越来越多人包中不可缺少的一件产品，然而，移动电源的携带以及充电线的使用也常常给人们带来了许多不便。(2)连网:在智能时代，现代人已经很难适应没有网络服务的环境。在中国的餐饮店等公共场所会有免费无线网络提供，人们需要通过询问服务人员或者其他验证方式获取使用无线网络的权限。(3)服务:由于用餐高峰时间、餐桌的位置等各种客观原因，人们经常会遇到工作人员无法及时提供服务的情况。

针对以上问题，笔者认为可以通过一个以无线充电作为入口、帮助顾客自动接入无线网络并进行在线自助服务的智能餐饮服务系统来解决这些问题。具体方案如下:

在每个餐桌安装无线充电装置，通过无线网络与餐厅服务管理系统相连接。当用户将移动设备放在餐桌时，无线充电装置会读取到用户数据并对设备进行充电，此时，用户可以选择是否需要接入餐厅提供的无线网络。由于无线充电设备已自动读取了用户的相关数据，用户不再需要输入密码或者通过手机号验证等其他方式进行无线网络登录，在使用体验上得到了优化。当用户接入餐厅无线网络后，可以继续选择是否使用餐厅自助服务，通过系统中的电子菜单，用户可以在自己的移动设备上进行点单服务。如果几个人一起用餐，不再需要像传统方式那样传阅菜单，在自己的位置上并可以通过手机查看菜单并进行点餐。用餐结束后，用户还可以直接在自己的智能终端上进行结账。

目前，有一些餐厅已经开始了在线自助服务的使用，无线充电公共服务系统在此基础上有了进一步的提升。首先，它满足了顾客在用餐时充电的需求。其次，它不再需要用户手动验证或者登陆账户，通过无线充电端便能自行识别用户信息。此外，它还实现了多用户终端共同操作的可能。

6 结语

无线充电技术的发展将会给人们的智能生活带来巨大的便利，减少了对电源线的依赖，对于提升用户体验、节省资源等具有重要的意义。随着人们生活水平的提高，个人智能终端设备的飞速发展，在未来的各种场合，无论是家中、还是公共场所，无线充电技术势必要扮演着重要的角色，为提高人们生活体验所服务。无线充电技术将对未来智能家居、智能可穿戴式设备、电动汽车以及智慧城市相关服务的普及和产业化起到至关重要的作用。但是，无线充电市场的发展仍然会遇到一些阻碍，包括无线充电设备标准不统一、兼容性、政策规范的不匹配等，这些问题还有待相关各方去解决。如何将无线充电技术融入未来智能产品以及服务的设计开发中，为人们创造一个更加便捷更加智能的无线互联生活环境，是一个值得深入研究探讨的课题。

参考文献:

[1]飞兆半导体.无线充电器技术和解决方案[J].电子产品世界, 2013.

[2]刘崎.浅谈无线充电器的兴起与发展前景[J].科技风,2014,(22): 120-120.

[3]祝毓,扬帆.全球无线充电技术及其发展态势分析[J].华东科技, 2015,(1):72-75.