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充電運用了一種新型的能量傳輸技術——無線供電技術。該技術使充電器擺脫了線路的限制,實現電器和電源完全分離。在安全性,靈活性等方面顯示出比傳統充電器更好的優勢。在如今科學技術飛速發展的今天,無線充電顯示出了廣闊的發展前景。
目前無線充電的技術已經開始在各領域中探索運用。由於無線傳輸的距離越遠,設備的耗能就越高。要實現遠距離大功率的無線電磁轉換,設備的耗能較高。所以, 實現無線充電的高效率能量傳輸,是無線充電器普及的首要問題。另一方面要解決的問題是建立統一的標準,使不同型號的無線充電器與不同的電子產品之間能匹配,從而實現無線充電。
優點:
(1)便捷性:
非接觸式,一對多充電與一般充電器相比,減少了插拔的麻煩,同時亦避免了介面不適用,接觸不良等現象,老年人也能很方便地使用。一台充電器可以對多個負載充電,一個家庭購買一台充電器就可以滿足全家人使用
(2)通用性:
應用範圍廣只要使用同一種無線充電標準,無論哪家廠商的哪款設備均可進行無線充電
(3)新穎性:用戶體驗好
(4)具有通用標準
主流的無線充電標準有:Qi標準、PMA標準、A4WP標準
Qi標準:Qi標準是全球首個推動無線充電技術的標準化組織——無線充電聯盟(WPC,2008年成立)推出的無線充電標準,其採用了目前最為主流的電磁感應技術,具備相容性以及通用性兩大特點。只要是擁有Qi標識的產品,都可以用Qi無線充電器充電。2017年2月,蘋果加入WPC。
PMA標準:PMA聯盟致力於為符合IEEE協會標準的手機和電子設備,打造無線供電標準,在無線充電領域中具有領導地位。PMA也是採用電磁感應原理實現無線充電。目前已經有AT&T、Google和星巴克三家公司加盟了PMA聯盟。
A4WP:Alliance for Wireless Power標準,2012年推出,目標是為包括可擕式電子產品和電動汽車等在內的電子產品無線充電設備設立技術標準和行業對話機制。A4WP採用電磁共振原理來實現無線充電。
缺點:
(1)工作距離短:
目前的無線充電技術大多在短距離範圍內的近磁場對電子設備進行無線充電。因為無線電能傳輸的距離越遠,功率的耗損也就會越大,能量傳輸效率就會越低,且會導致設備的耗能較高
(2)轉換效率低,速度慢:
無線充電技術雖然簡單便捷,但是其硬傷在於緩慢的充電速度和充電效率
(3)功耗較高,更加費電:
隨著無線充電設備的距離和功率的增大,無用功的耗損也就會越大
(4)成本較高,維護消耗大:
不符合標準會有安全隱患危險
無線供電原理及實現方法:
無線充電利用電磁波感應原理進行充電,原理類似於變壓器。在發送和接收端各有一個線圈,發送端線圈連接有線電源產生電磁信號,接收端線圈感應發送端的電磁信號從而產生電流。
2007年6月麻省理工學院以Marin Soljacic為首的研究團隊首次演示了利用電磁感應原理的燈泡無線供電技術,他們可以在一米距離內無線給60瓦的燈泡提供電力,電能傳輸效率高達75%。
研究者由此設想電源可以在這範圍內為電池進行無線充電,進而推想只需要安裝一個電源,即可為整個屋裡的用電器供電。傳輸線圈的工作頻率在兆赫茲範圍,接收線圈在非輻射磁場內部發生諧振,以相同的頻率振盪,然後有效的通過磁感應進行電能傳輸。
實現無線充電技術主要通過四種方式:電磁感應式、磁場共振式、無線電波式、電場耦合式
電與磁的交互作用
一般見到的無線充電,運用的是“電流磁效應”和“電磁感應”的原理。1819 年,丹麥科學家厄斯特觀察到一段導線上如果通有電流,四周將會產生磁場,可以讓指北針偏轉。後人則進一步發現,將導線圍成環狀,甚至繞成線圈,產生的磁場將會更強、更集中,這稱為“電流磁效應”。
至於電磁感應,則是在 1831 年由法拉第發現的。讓一塊磁鐵或其他的磁場來源靠近一段沒有電流的線圈,線圈上就會產生“感應電流”,稱為“電磁感應”。值得注意的是,電磁感應的成立條件是磁場要有“變化”,例如磁鐵越來越靠近 (越來越遠離其實也可以)。外加磁場若是一直保持不變,是不會有感應電流的。
總而言之,電流磁效應就是電流的流動在四周產生磁場,電磁感應則是不斷變化的外加磁場使線圈產生感應電流。
利用電磁感應來充電
這兩種物理現象同時運用,就可以進行無線充電。目前的無線充電設備,都包含一個“充電座”,裡面其實正是線圈。將充電座接到家用插頭後,線圈周圍會因為電流磁效應而產生磁場。要充電的電子產品,裡面也都有一個線圈,當它靠近充電座時,充電座的磁場將通過電磁感應,在電子產品的線圈上產生感應電流。感應電流導引到電池,就完成了充電座和電子產品間的無線充電。
你可能會問,磁場不是要改變才能有電磁感應嗎?可是充電座與充電的物件距離卻始終保持不變,這樣為何會有電磁感應呢?原來,家用插座中流出的電是“交流電”,也就是說電流的方向不斷的交替變化,一會兒順著流,一會兒反著流。正因為如此,充電座線圈產生的磁場隨之不斷在變換方向,並非保持不變,符合電磁感應的條件。
近來越來越多智慧手機、平板電腦開始提供無線充電的功能,但是不幸的是,它們充電的時候,只要離充電座的距離稍遠一些,充電效率就會明顯下降。即便是最新的技術,充電距離也不能超過 5 公分,事實上,目前絕大部分可以無線充電的移動設備,都是要完全平放在充電座上才能進行,和想像中隨走隨充的無線充電仍有點差別。
利用共振拉長充電距離
為了增加無線充電的距離與充電效率,科學家正在設法利用“磁共振”的原理進行無線充電。在電路中加入一些電容、電感等特殊的元件,適當連接後,會形成“諧振電路”。這就好像樂器行一定會有的調音工具──音叉一樣。輕敲音叉一次,它可以持續振動一段時間,同樣的,對諧振電路短暫通電,電路中也會產生維持一段時間的信號。
音叉具有“共振”這種有趣的物理性質。每支音叉都有自己的發聲頻率,當一支音叉振動發聲時,若附近有另一支發聲頻率相同的音叉,即使它沒有直接受到敲擊,也會跟著振動。音叉的共振可以說達成了能量的傳遞。諧振電路也可以共振,兩個振動頻率相同的諧振電路放在一起,其中一個開始因為通電而震盪時,另一個電路也會跟著震盪起來,“自動”產生電流,電能就這樣被隔空傳送了。這樣的現象稱為“磁共振”,用來進行無線充電,可以讓充電距離達到數公尺,效率也有所提升。唯一的困難就是,要將兩個電路調整到一模一樣的頻率,並且維持一段時間,並不是容易的事。
除了磁共振之外,也有科學家嘗試用雷射光的光能來充電,甚至是將電能通過和家用的 Wifi 網路相近的電波頻段來傳送。希望這些技術的突破,能讓我們未來在充電時更加方便!
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