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像WiFi一樣的“隔空充電”了解一下
和手機(jī)貼在一起的無線充電已不新鮮
像WiFi一樣的“隔空充電”了解一下
近日,據(jù)媒體報(bào)道, 同多數(shù)大型零售商一樣,美國沃爾瑪百貨公司正在計(jì)劃用小型電子屏幕取代貨架上的紙質(zhì)標(biāo)簽,這樣就能快速、低成本地更改價(jià)格并進(jìn)行促銷。但從紙片到屏幕的轉(zhuǎn)換又面臨一個(gè)問題——屏幕需要電力。目前,沃爾瑪正在同奧西亞公司合作,采取“遠(yuǎn)距離充電”技術(shù),也稱“隔空充電”(Cota)來解決這個(gè)問題。
隔空充電,聽起來很神奇的樣子,其原理是什么,究竟是怎樣實(shí)現(xiàn)的?
隔空“收集”電磁能實(shí)現(xiàn)充電
“沃爾瑪這種‘隔空充電’的原理并不深?yuàn)W,它是‘無線充電’技術(shù)的一種具體應(yīng)用?!苯眨本├砉ご髮W(xué)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與對抗研究所所長閆懷志在接受科技日報(bào)記者采訪時(shí)說。
閆懷志介紹,所謂無線充電,是指采用非物理接觸方式實(shí)現(xiàn)的電能無線傳輸技術(shù)。
無線傳能的設(shè)想由來已久,早在100多年前特斯拉就提出通過大氣電離層來實(shí)現(xiàn)全球無線供電的設(shè)想。
能量守恒和轉(zhuǎn)換定律在自然界普遍適用,電磁空間也不例外,這一點(diǎn)可以用楞次定律來證明。楞次定律的本質(zhì)是“感應(yīng)電流的磁場總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。當(dāng)線圈中的磁通量增加時(shí),其中感應(yīng)生成電流的方向與使它所產(chǎn)生的磁場方向相反,而當(dāng)線圈中的磁通量減少時(shí),則感應(yīng)生成電流的方向與使它所產(chǎn)生的磁場方向相同。正因?yàn)殡姶鸥袘?yīng)現(xiàn)象同樣遵循能量守恒和轉(zhuǎn)換定律,因此人們能夠通過電磁感應(yīng)來實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換和傳播。
“具體來講,沃爾瑪采用的這種隔空充電方式,是由一個(gè)電能發(fā)射器提供能量源,在特定的方向范圍內(nèi)發(fā)射一定頻率的射頻譜,由此創(chuàng)建一個(gè)三維的電磁能量空間?!遍Z懷志解釋說,在該射頻信號所覆蓋的空間范圍內(nèi)的電子設(shè)備,如果配有相應(yīng)頻譜的信號接收裝置就可以接收該信號,實(shí)現(xiàn)與發(fā)射端的電磁感應(yīng),從而可以隔空“收集”發(fā)射端經(jīng)由空氣傳播而來的電磁能量,實(shí)現(xiàn)接收電子裝置的無線充電。
北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院副教授尉志青進(jìn)一步解釋說,沃爾瑪隔空充電設(shè)備的工作原理和WiFi、藍(lán)牙相似,由一個(gè)發(fā)射機(jī)和多個(gè)接收機(jī)組成。發(fā)射機(jī)內(nèi)部集成了數(shù)百根微型天線,而接收機(jī)只有硬幣大小,安裝在需要充電的設(shè)備上。接收機(jī)會在電量較低時(shí)給發(fā)射機(jī)發(fā)送充電的請求信號,發(fā)射機(jī)接收到請求信號后以每秒100Hz的頻率為設(shè)備充電。在控制充電的APP中,可以指定充電設(shè)備和充電策略(例如優(yōu)先為電量低的設(shè)備充電),最多可以同時(shí)為32臺設(shè)備進(jìn)行充電。
人們關(guān)心的這種隔空充電技術(shù)所能達(dá)到的距離和充電時(shí)間,閆懷志表示,主要取決于兩個(gè)因素,一是發(fā)射裝置的無線頻譜發(fā)射功率,二是該無線頻譜的發(fā)射頻率。
據(jù)介紹,沃爾瑪?shù)倪@種隔空充電裝置的實(shí)驗(yàn)室原型系統(tǒng)是CotaTile,發(fā)射功率為20瓦,距離1米遠(yuǎn)的設(shè)備接收功率大約為6瓦,距離2米遠(yuǎn)的設(shè)備接收功率為2至3瓦,最遠(yuǎn)可為距離10米的設(shè)備充電。
你還能見到這些無線充電技術(shù)
除了這種隔空充電的方式外,當(dāng)前常用的無線充電方式還有很多。
閆懷志介紹,首先是電磁感應(yīng)技術(shù)無線充電,又稱為Qi標(biāo)準(zhǔn)無線充電。目前市面上小米、華為、蘋果的最新機(jī)型應(yīng)用的無線充電大多采用的是這種方式。用戶可以將手機(jī)放在充電底座上充電而無需充電線。
尉志青說,其工作原理是,無線充電底座和手機(jī)分別安裝了發(fā)射線圈和接收線圈,利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象,當(dāng)兩者靠近時(shí),充電底座內(nèi)的發(fā)射線圈接入交流電產(chǎn)生交變磁場,磁場的變化讓接收線圈內(nèi)產(chǎn)生電流,從而將能量從發(fā)射端轉(zhuǎn)移到接收端,即從充電底座向手機(jī)進(jìn)行供電。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是充電效率較高,智能手機(jī)充電效率可達(dá)80%,不足之處是充電距離較短,通常需要將手機(jī)緊貼充電底座。
其次是電磁共振無線充電,這種充電方式采用諧振器件使得發(fā)射端與接收端達(dá)到同一頻率,而同樣的共振頻率是能量轉(zhuǎn)移的必要條件,通過磁場共振就能實(shí)現(xiàn)電磁能量的交換。相比于電磁感應(yīng),這種方式的優(yōu)點(diǎn)是無需“緊貼”,智能手機(jī)充電距離可達(dá)10厘米,但其充電效率略低,通常不足70%。
此外,還有無線射頻技術(shù),該技術(shù)以空間電場作為能量傳輸媒介,在交流電磁場的作用下,產(chǎn)生交變電流,從而實(shí)現(xiàn)電能的遠(yuǎn)距離無線傳遞。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是充電距離遠(yuǎn),不足是電磁輻射強(qiáng)、轉(zhuǎn)換效率低。
“無線”雖好面臨挑戰(zhàn)也不小
“相對于有線充電,無線充電的優(yōu)勢非常獨(dú)特,包括使用的便捷性、傳輸?shù)陌踩?、裝置的緊湊性以及環(huán)境融入性等,但也存在著諸多挑戰(zhàn),具體體現(xiàn)在技術(shù)和非技術(shù)兩個(gè)層面?!遍Z懷志說,技術(shù)層面看,無線充電涉及電能信號無線發(fā)射、高頻轉(zhuǎn)換、耦合線圈設(shè)計(jì)、系統(tǒng)協(xié)同控制、電磁屏蔽以及電磁干擾等技術(shù)難題。例如,雖然從近距離的RFID設(shè)備、智能手機(jī)、平板電腦、智能手表、助聽器等,到遠(yuǎn)距離的無人機(jī)甚至是太空中的航天器,均可采用隔空充電的方式充電。但由于隔空充電利用的是電磁感應(yīng)原理,因而任何破壞或削弱電磁頻譜信號傳播的因素,如電磁屏蔽、功率不足、頻率不穩(wěn)等,均會對其造成致命影響。非技術(shù)層面則存在著無線充電設(shè)備成本較高、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一、公眾對電磁輻射存有疑慮等問題。
但他相信這些問題必將隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展而得到有效的解決。
尉志青補(bǔ)充道,無線充電最大的問題是充電效率低,一般只支持5W的充電功率,稍微快速的充電也只有7.5W功率。此外,關(guān)于公眾對無線充電可能帶來的電磁輻射的擔(dān)憂,需要企業(yè)和評測機(jī)構(gòu)進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑囼?yàn)、廣泛的科普宣傳,才能打消公眾顧慮。由于無線充電的充電范圍較大,未來在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域?qū)⒂袕V闊的應(yīng)用前景。(記者 付麗麗)
編輯:張佳琪
關(guān)鍵詞:充電 無線 技術(shù)