和手機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
本報記者 付麗麗
據(jù)媒體報道， 同多數(shù)大型零售商一樣，美國沃爾瑪百貨公司正在計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、低成本地更改價格并進行促銷。但從紙片到屏幕的轉(zhuǎn)換又面臨一個問題——屏幕需要電力。目前，沃爾瑪正在同奧西亞公司合作，采取“遠距離充電”技術(shù)，也稱“隔空充電”（Cota）來解決這個問題。
隔空充電，聽起來很神奇的樣子，其原理是什么，究竟是怎樣實現(xiàn)的？
隔空“收集”電磁能實現(xiàn)充電
“沃爾瑪這種‘隔空充電’的原理并不深奧，它是‘無線充電’技術(shù)的一種具體應(yīng)用。”北京理工大學(xué)計算機網(wǎng)絡(luò)與對抗研究所所長閆懷志在接受科技日報記者采訪時說。
閆懷志介紹，所謂無線充電，是指采用非物理接觸方式實現(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，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，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。正因為電磁感應(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)建一個三維的電磁能量空間。”閆懷志解釋說，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)院副教授尉志青進一步解釋說，沃爾瑪隔空充電設(shè)備的工作原理和WiFi、藍牙相似，由一個發(fā)射機和多個接收機組成。發(fā)射機內(nèi)部集成了數(shù)百根微型天線，而接收機只有硬幣大小，安裝在需要充電的設(shè)備上。接收機會在電量較低時給發(fā)射機發(fā)送充電的請求信號，發(fā)射機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），最多可以同時為32臺設(shè)備進行充電。
人們關(guān)心的這種隔空充電技術(shù)所能達到的距離和充電時間，閆懷志表示，主要取決于兩個因素，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驗室原型系統(tǒng)是CotaTile，發(fā)射功率為20瓦，距離1米遠的設(shè)備接收功率大約為6瓦，距離2米遠的設(shè)備接收功率為2至3瓦，最遠可為距離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，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進行供電。這種方式的優(yōu)點是充電效率較高，智能手機充電效率可達80%，不足之處是充電距離較短，通常需要將手機緊貼充電底座。
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)點是無需“緊貼”，智能手機充電距離可達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，從而實現(xiàn)電能的遠距離無線傳遞。這種方式的優(yōu)點是充電距離遠，不足是電磁輻射強、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)勢非常獨特，包括使用的便捷性、傳輸?shù)陌踩浴⒀b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)兩個層面。”閆懷志說，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、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、平板電腦、智能手表、助聽器等，到遠距離的無人機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)的進一步發(fā)展而得到有效的解決。
尉志青補充道，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)和評測機構(gòu)進行嚴謹?shù)脑囼灐V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。
