沈馳鑫(華東理工大學(xué),上海 200237)

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淺談無(wú)線充電技術(shù)在智能時(shí)代的發(fā)展與應(yīng)用

沈馳鑫
(華東理工大學(xué),上海 200237)

【摘 要】智能手機(jī)等電子產(chǎn)品已經(jīng)成為了人們生活中不可或缺的一部分,這些產(chǎn)品豐富了人們的生活,給人們帶來(lái)了諸多便利,與此同時(shí),對(duì)智能電子產(chǎn)品充電頻率的不斷增加也給人們帶來(lái)了困擾,雜亂的數(shù)據(jù)線和頻繁的插拔使人們對(duì)充電過(guò)程感到不勝其煩,因此,人們需要一種更加便捷可靠的充電方法,無(wú)線充電技術(shù)的發(fā)展有效地避免了充電線纜帶來(lái)的困擾。本文介紹了無(wú)線充電技術(shù)及相關(guān)原理,對(duì)無(wú)線充電的應(yīng)用現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展前景進(jìn)行了分析和展望,最后提出了一套基于無(wú)線充電技術(shù)的公共服務(wù)設(shè)計(jì)方案。

【關(guān)鍵詞】無(wú)線充電 智能產(chǎn)品 服務(wù)設(shè)計(jì)

隨著科技的發(fā)展，智能電子產(chǎn)品迅速普及，各類智能產(chǎn)品已經(jīng)成為了人們生活中不可或缺的一部分，人們需要面對(duì)身邊智能手機(jī)、平板電腦、可穿戴式設(shè)備等不同種類的充電器和充電線，雜亂的數(shù)據(jù)線和頻繁的插拔使人們對(duì)充電過(guò)程感到不勝其煩。人們對(duì)充電技術(shù)的需求，逐步向智能便捷、簡(jiǎn)單通用、節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展。無(wú)線充電技術(shù)的發(fā)展讓人們擺脫了充電所帶來(lái)的困擾，人們不再需要數(shù)據(jù)線給電子產(chǎn)品進(jìn)行充電；另一方面，也解決了不同電子產(chǎn)品充電器的通用性問(wèn)題[1]。人們可以像使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)一樣在家里或者餐廳、酒店、機(jī)場(chǎng)等公用場(chǎng)所隨時(shí)隨地對(duì)電子產(chǎn)品進(jìn)行無(wú)線充電。無(wú)線充電技術(shù)將推動(dòng)未來(lái)智能產(chǎn)品的發(fā)展，對(duì)可穿戴式設(shè)備、智能家居產(chǎn)品、電動(dòng)汽車等新興產(chǎn)品的普及和產(chǎn)業(yè)化起到至關(guān)重要的作用。

1 無(wú)線充電技術(shù)

無(wú)線充電技術(shù)，又稱作感應(yīng)充電、非接觸式感應(yīng)充電，源于無(wú)線電力輸送技術(shù)，是利用近場(chǎng)感應(yīng)，也就是電感耦合。

在歷史上很早就出現(xiàn)了無(wú)線充電技術(shù)相關(guān)的理念，早在19世紀(jì)30年代邁克爾·法拉第就發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)的變化會(huì)在電線中產(chǎn)生電流，這就是著名的法拉第電磁感應(yīng)原理。在19世紀(jì)90年代，尼古拉·特斯拉發(fā)明了“特斯拉線圈”，能夠通過(guò)空氣傳播電力，開(kāi)啟了無(wú)線式電力傳播的時(shí)代，實(shí)現(xiàn)了交流發(fā)電。但是由于材料等多方面技術(shù)的限制，特斯拉的大膽構(gòu)想并沒(méi)有得到實(shí)現(xiàn)，關(guān)于無(wú)線充電方面的技術(shù)研究一直進(jìn)展緩慢。

近年來(lái)，無(wú)線充電技術(shù)獲得了巨大的突破與發(fā)展，在充電距離和充電轉(zhuǎn)化率上不斷提高，并且已經(jīng)一些電子產(chǎn)品上已經(jīng)得到了應(yīng)用。無(wú)線充電技術(shù)通過(guò)使用線圈之間產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)，來(lái)傳輸電能，電感耦合技術(shù)將會(huì)成為連接無(wú)線充電器和用電設(shè)備之間的橋梁。無(wú)線充電技術(shù)具有比較高的便捷性和通用性，它將改變當(dāng)前大部分設(shè)備都需要通過(guò)金屬電線連接充電器與用電器進(jìn)行充電的現(xiàn)狀。[2]

2 主要無(wú)線充電技術(shù)原理

按照供電原理，目前的無(wú)線充電技術(shù)主要有電磁感應(yīng)、電場(chǎng)耦合、磁共振、和電波接收4種技術(shù)方式。

電磁感應(yīng)方式是利用發(fā)射端線圈和接收端線圈之間的電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)無(wú)線電能傳輸。電磁感應(yīng)無(wú)線充電技術(shù)比較成熟，成本比較低，可以實(shí)現(xiàn)微型化。從微小電力到100kW以上的大電力均可高效傳輸，已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用于多種設(shè)備。電磁感應(yīng)方式的充電轉(zhuǎn)化率大約在80%左右，如果要保證充電轉(zhuǎn)化率，線圈之間的位置必 須保持對(duì)齊，不能夠產(chǎn)生偏移，因此只適合于短距離充電的電子產(chǎn)品。

磁共振方式是利用電流通過(guò)線圈產(chǎn)生同頻率的磁場(chǎng)共振來(lái)實(shí)現(xiàn)電能無(wú)線傳輸?shù)姆绞?。這種技術(shù)方式可以實(shí)現(xiàn)向幾十米甚至幾米的較遠(yuǎn)距離位置的設(shè)備進(jìn)行無(wú)線電能傳輸，只要保持在充電底座的垂直方向上，具有較高的自由度。但是，磁共振無(wú)線充電方式對(duì)于材料的要求較高，在傳輸過(guò)程中能量也會(huì)隨距離增大而衰減，因此充電效率相對(duì)較低，大概在70%左右。

電場(chǎng)耦合方式是在供電側(cè)和受電側(cè)設(shè)置電極、利用兩電極間產(chǎn)生的電場(chǎng)來(lái)進(jìn)行無(wú)線充電的技術(shù)方式。相比較前兩種技術(shù)方式，電場(chǎng)耦合方式具有充電位置自由、電極薄、電極部的溫度不會(huì)上升等特點(diǎn)。但是，其傳輸距離仍然較短，充電效率在70%左右，需采用高頻電流來(lái)完成傳輸因而成本較高，不易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品微型化，不適合低功率無(wú)線充電使用。

電波接收也是一種較為成熟的無(wú)線充電方式，將電能以微波或者激光形式發(fā)射到遠(yuǎn)程的接收設(shè)備，然后通過(guò)整流、調(diào)制等處理后進(jìn)行使用。這種技術(shù)方式適合應(yīng)用于大范圍、長(zhǎng)距離且不易受環(huán)境影響的電能傳輸，如空間太陽(yáng)能電站、低軌道和同步軌道衛(wèi)星供電、傳感器網(wǎng)絡(luò)終端供電。

無(wú)線充電技術(shù)正在不斷發(fā)展，在傳輸穩(wěn)定性、傳輸距離上不斷提升，電能轉(zhuǎn)化率也在不斷提高，很快將能達(dá)到98%。除此之外，其他新的無(wú)線充電技術(shù)方案也在不斷涌現(xiàn)，未來(lái)無(wú)線充電技術(shù)的發(fā)展勢(shì)必對(duì)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)起著至關(guān)重要的作用。

3 無(wú)線充電技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

從無(wú)線充電技術(shù)在市場(chǎng)上的應(yīng)用來(lái)看，目前大部分運(yùn)用無(wú)線充電的產(chǎn)品基本上都采用的是短距離感應(yīng)耦合技術(shù)，領(lǐng)域也并不是非常廣泛，主要應(yīng)用于電動(dòng)牙刷和部分智能手機(jī)以及智能硬件上，在牙刷底部、手機(jī)背部和充電底座集成線圈，產(chǎn)生磁場(chǎng)，通過(guò)兩個(gè)線圈的相互作用傳輸電流，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電。這項(xiàng)技術(shù)的一大缺陷在于傳輸距離較短，并且線圈之間必須保持對(duì)齊，所以很多支持無(wú)線充電的手機(jī)，需要較為精確地?cái)[放在無(wú)線充電底座上，才能正常充電，從使用體驗(yàn)上還沒(méi)有達(dá)到人們‘放之即充’的需求。

各類無(wú)線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)競(jìng)爭(zhēng)激烈，目前全球無(wú)線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要有Qi標(biāo)準(zhǔn)、A4WP標(biāo)準(zhǔn)和PMA標(biāo)準(zhǔn)三種。從市場(chǎng)規(guī)模上，作為短距離感應(yīng)耦合技術(shù)代表的Qi無(wú)疑是目前最為普及的，是消費(fèi)領(lǐng)域的最主流無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)，成員包括微軟、松下、三星、索尼、東芝等等。目前，Qi標(biāo)準(zhǔn)從移動(dòng)終端向高功率的數(shù)碼產(chǎn)品，甚至基礎(chǔ)設(shè)施無(wú)線充電設(shè)備領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，全球市場(chǎng)上已有上千款Qi認(rèn)證產(chǎn)品，包括產(chǎn)品和組件。三星最新發(fā)布的三星 Galaxy S6便采用了Qi無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)。

另一大無(wú)線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)A4WP則是采用諧振耦合技術(shù)，其無(wú)線充電技術(shù)名為“Rezence”，目前還處于市場(chǎng)推廣階段，更多的在電子消費(fèi)展上展出，并沒(méi)有正式商用。A4WP采用了更大的輸出線圈從而提高傳輸效率，能夠同時(shí)為多臺(tái)設(shè)備充電。由于設(shè)定了精確的共振頻率，即使微弱的感應(yīng)磁場(chǎng)也能為設(shè)備充電，這意味著A4WP的充電范圍會(huì)比Qi大很多，也無(wú)需準(zhǔn)確地將充電器和電子產(chǎn)品對(duì)齊。目前A4WP聯(lián)盟已有超過(guò)40個(gè)成員，包括英特爾、三星、Qualcomm、Broadcom等。諧振耦合式無(wú)線充電技術(shù)是目前最被看好的無(wú)線充電技術(shù)之一，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看具有廣泛發(fā)展空間及應(yīng)用前景。

PMA的產(chǎn)品雖然可以在市場(chǎng)中找到，但為數(shù)不多，其最大的商業(yè)活動(dòng)是通過(guò)與星巴克合作，在美國(guó)部分的星巴克店鋪里為顧客提供免費(fèi)的無(wú)線充電服務(wù)，但反響一般。

目前，主要產(chǎn)業(yè)集群正在進(jìn)行重組，在2014年的CES展會(huì)上，兩大無(wú)線充電聯(lián)盟PMA和A4WP宣布合并，未來(lái)將致力于整合磁共振和磁感應(yīng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多種模式的充電方式。[3]

4 無(wú)線充電技術(shù)發(fā)展前景

無(wú)線充電技術(shù)正朝著更遠(yuǎn)、更高效、更便捷的方向不斷發(fā)展，隨著技術(shù)的不斷優(yōu)化，無(wú)線充電勢(shì)必將在智能穿戴、智能家居、電動(dòng)汽車、等各領(lǐng)域起著巨大的推動(dòng)作用。

首先是智能穿戴市場(chǎng)，隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展和人們生活習(xí)慣的改變，智能可穿戴式產(chǎn)品正不斷涌現(xiàn)，所伴隨的是人們對(duì)于智能產(chǎn)品電池續(xù)航能力的擔(dān)憂，加入無(wú)線充電功能無(wú)疑能夠提升這些產(chǎn)品的用戶體驗(yàn)，從而使用戶能夠真正自由無(wú)束縛地使用這些產(chǎn)品。與此同時(shí)，智能家居行業(yè)也在近年來(lái)迅速崛起，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，使家居智能化變成了現(xiàn)實(shí)。智能家居也同網(wǎng)絡(luò)一樣必將朝著無(wú)線化進(jìn)行發(fā)展，而無(wú)線充電則是家居智能化的必備技術(shù)之一。智能家居和無(wú)線充電兩大領(lǐng)域一旦完美結(jié)合，勢(shì)必進(jìn)一步改變?nèi)祟惖纳睢?/p>

無(wú)線充電技術(shù)對(duì)于電動(dòng)汽車市場(chǎng)也是意義重大。隨著人們對(duì)于環(huán)境保護(hù)越來(lái)越重視，未來(lái)電動(dòng)汽車的普及是汽車行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，傳統(tǒng)汽車由于加油的特殊性，必須通過(guò)管道輸油的方式為汽車進(jìn)行加油。而電動(dòng)汽車由于提供汽車能源的是電力，使“無(wú)線加油”成為了可能，利用無(wú)線充電技術(shù)，使汽車充電變得更加方便。一些科研人員已經(jīng)設(shè)計(jì)出在道路建設(shè)中直接鋪設(shè)充電線圈的方案，未來(lái)在馬路上行駛便再也不用關(guān)心是否需要加油充電了。

除此之外，無(wú)線充電技術(shù)在醫(yī)療裝備市場(chǎng)也有非常高的應(yīng)用價(jià)值。在醫(yī)療裝備上運(yùn)用無(wú)線充電技術(shù)，可以使急救裝備始終處于電池充足的狀態(tài)，從而提高了急救裝備在惡劣環(huán)境下的安全性，為急、危、重患者和突發(fā)事件傷員的救護(hù)提供了有力的保障。

5 初探無(wú)線充電公共服務(wù)設(shè)計(jì)

筆者通過(guò)人們?cè)诓惋媹?chǎng)所行為習(xí)慣的觀察和分析，結(jié)合無(wú)線充電技術(shù)及智能時(shí)代人們使用習(xí)慣的特點(diǎn)，提出了一套以無(wú)線充電作為入口的公共服務(wù)系統(tǒng)方案。

“充電-連網(wǎng)-服務(wù)”是智能時(shí)代中人們?cè)诓惋媹?chǎng)所面臨的三大主要問(wèn)題。(1)充電:智能產(chǎn)品的使用頻率不斷提高，但是其電池續(xù)航能力始終還未完全滿足人們的需求。人們往往會(huì)選擇在用餐時(shí)間為自己的智能手機(jī)或者其他移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行充電，尤其是晚上，移動(dòng)設(shè)備經(jīng)過(guò)一天的使用消耗了大部分的電量，非常有充電的需要。因此，移動(dòng)電源也逐漸成為越來(lái)越多人包中不可缺少的一件產(chǎn)品，然而，移動(dòng)電源的攜帶以及充電線的使用也常常給人們帶來(lái)了許多不便。(2)連網(wǎng):在智能時(shí)代，現(xiàn)代人已經(jīng)很難適應(yīng)沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的環(huán)境。在中國(guó)的餐飲店等公共場(chǎng)所會(huì)有免費(fèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提供，人們需要通過(guò)詢問(wèn)服務(wù)人員或者其他驗(yàn)證方式獲取使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的權(quán)限。(3)服務(wù):由于用餐高峰時(shí)間、餐桌的位置等各種客觀原因，人們經(jīng)常會(huì)遇到工作人員無(wú)法及時(shí)提供服務(wù)的情況。

針對(duì)以上問(wèn)題，筆者認(rèn)為可以通過(guò)一個(gè)以無(wú)線充電作為入口、幫助顧客自動(dòng)接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行在線自助服務(wù)的智能餐飲服務(wù)系統(tǒng)來(lái)解決這些問(wèn)題。具體方案如下:

在每個(gè)餐桌安裝無(wú)線充電裝置，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與餐廳服務(wù)管理系統(tǒng)相連接。當(dāng)用戶將移動(dòng)設(shè)備放在餐桌時(shí)，無(wú)線充電裝置會(huì)讀取到用戶數(shù)據(jù)并對(duì)設(shè)備進(jìn)行充電，此時(shí)，用戶可以選擇是否需要接入餐廳提供的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。由于無(wú)線充電設(shè)備已自動(dòng)讀取了用戶的相關(guān)數(shù)據(jù)，用戶不再需要輸入密碼或者通過(guò)手機(jī)號(hào)驗(yàn)證等其他方式進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)絡(luò)登錄，在使用體驗(yàn)上得到了優(yōu)化。當(dāng)用戶接入餐廳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)后，可以繼續(xù)選擇是否使用餐廳自助服務(wù)，通過(guò)系統(tǒng)中的電子菜單，用戶可以在自己的移動(dòng)設(shè)備上進(jìn)行點(diǎn)單服務(wù)。如果幾個(gè)人一起用餐，不再需要像傳統(tǒng)方式那樣傳閱菜單，在自己的位置上并可以通過(guò)手機(jī)查看菜單并進(jìn)行點(diǎn)餐。用餐結(jié)束后，用戶還可以直接在自己的智能終端上進(jìn)行結(jié)賬。

目前，有一些餐廳已經(jīng)開(kāi)始了在線自助服務(wù)的使用，無(wú)線充電公共服務(wù)系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上有了進(jìn)一步的提升。首先，它滿足了顧客在用餐時(shí)充電的需求。其次，它不再需要用戶手動(dòng)驗(yàn)證或者登陸賬戶，通過(guò)無(wú)線充電端便能自行識(shí)別用戶信息。此外，它還實(shí)現(xiàn)了多用戶終端共同操作的可能。

6 結(jié)語(yǔ)

無(wú)線充電技術(shù)的發(fā)展將會(huì)給人們的智能生活帶來(lái)巨大的便利，減少了對(duì)電源線的依賴，對(duì)于提升用戶體驗(yàn)、節(jié)省資源等具有重要的意義。隨著人們生活水平的提高，個(gè)人智能終端設(shè)備的飛速發(fā)展，在未來(lái)的各種場(chǎng)合，無(wú)論是家中、還是公共場(chǎng)所，無(wú)線充電技術(shù)勢(shì)必要扮演著重要的角色，為提高人們生活體驗(yàn)所服務(wù)。無(wú)線充電技術(shù)將對(duì)未來(lái)智能家居、智能可穿戴式設(shè)備、電動(dòng)汽車以及智慧城市相關(guān)服務(wù)的普及和產(chǎn)業(yè)化起到至關(guān)重要的作用。但是，無(wú)線充電市場(chǎng)的發(fā)展仍然會(huì)遇到一些阻礙，包括無(wú)線充電設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、兼容性、政策規(guī)范的不匹配等，這些問(wèn)題還有待相關(guān)各方去解決。如何將無(wú)線充電技術(shù)融入未來(lái)智能產(chǎn)品以及服務(wù)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，為人們創(chuàng)造一個(gè)更加便捷更加智能的無(wú)線互聯(lián)生活環(huán)境，是一個(gè)值得深入研究探討的課題。

參考文獻(xiàn):

[1]飛兆半導(dǎo)體.無(wú)線充電器技術(shù)和解決方案[J].電子產(chǎn)品世界, 2013.

[2]劉崎.淺談無(wú)線充電器的興起與發(fā)展前景[J].科技風(fēng),2014,(22): 120-120.

[3]祝毓,揚(yáng)帆.全球無(wú)線充電技術(shù)及其發(fā)展態(tài)勢(shì)分析[J].華東科技, 2015,(1):72-75.