论文无线充电：它是什么，它是怎样工作的？，本文是关于无线充电类论文如何写与无线充电简介和工作和充电方面硕士论文范文.
作者 Lucas Mearian 编译 杨勇
无线充电技术已经有100 多年的历史了,但在苹果新的iPhone 系列等设备上得以应用之后,它才被重新赋予了新生命.本文介绍其工作原理,它为什么会很快出现在从家庭到机器人的各个领域中.
无线充电自19 世纪晚期就出现了,当时的电力先驱尼古拉·特斯拉（NikolaTesla） 演示了磁共振耦合——在两个电路（一个发射器和一个接收器）之间建立磁场,通过空气来传输电能.
但在大约100 年的时间里,除了一些电动牙刷之外,这项技术并没有得到多少实际应用.
如今,有近六种无线充电技术在使用,所有这些都是为了取消智能手机和笔记本电脑到厨房电器和汽车等各种设备所使用的电缆.
无线充电正在进入医疗保健、汽车和制造业等领域,因为它承诺能够提高移动性和先进性,可以让微小物联网（IoT） 设备在离充电器几英尺远的地方获得电力.
目前在用的最流行的无线技术利用了两个铜线圈之间的电磁场, 这极大地限制了设备和充电板之间的距离.苹果在iPhone 8 和iPhone X 中使用的就是这类充电方式.
无线充电是怎样工作的
据IHS Markit 的研究经理Did Green 表示,一般来说,无线充电有三种类型.充电板,使用了紧耦合电磁感应技术或者短距离充电技术；充电碗或表面通过型充电器,使用了松耦合电磁共振充电技术,可以把电荷传输几厘米；非耦合射频（RF）无线充电,能够在几英尺远的距离上进行涓流充电.
紧耦合电磁感应和松耦合共振充电技术都遵循同样的物理原理：随时间变化的磁场在导线闭合回路中感应出电流.
它的工作原理是这样的：一个磁环天线（铜线圈）被用来产生振荡磁场,它可以在一个或者多个接收器天线中产生电流.如果加入适当的电容,使线圈在相同频率下共振, 那么接收器中感应电流就会增大.这就是共振感应充电或者磁共振充电；发射机和接收机之间能够以较远的距离传输电能,提高了充电效率.线圈的大小也会影响电能传递的距离.线圈越大,线圈越多,充电的距离就越远.
例如,在智能手机无线充电板上,铜线圈的直径只有几英寸,严重限制了电能有效传输的距离.
但当线圈较大时, 可以通过无线传输更多的能量.这就是10 年前由麻省理工学院研究人员成立的WiTricity 公司最先采用的方法.它允许从汽车、风力涡轮机到机器人的所有设备都采用松耦合共振技术.
2007 年, 麻省理工学院物理学教授Marin MarinSoljacic 证明他可以在两米的距离上传输电能；那时,在这一距离上,电能传输效率只有40%, 意味着60%的电能在转换过程中损失了.Soljacic 在当年年底成立了W i T r i c i t y公司, 把这项技术商业化,自此之后,电能传送效率开始大幅度增加.
在WiTricity 的汽车充电系统中, 接收器的大型铜线圈直径超过了25厘米, 能够高效的把电能传输25 厘米的距离.据WiTricity 公司首席技术官Morris Kesler, 使用共振技术可以传输功率较高的电能（ 最大11kW）, 而且效率高（端到端大于92%）.WiTricity 公司还在导电回路中增加了电容器,从而增加了能够采集到的能量,并用于给电池充电.
该系统不仅仅适用于汽车.去年,总部位于日本的机器人制造商Daihen 公司开始发售基于WiTricity 技术的无线电力传输系统,应用于自动驾驶汽车（A）.装有Daihen 的D-Broad 无线充电系统的A,可以开到充电区直接进行充电, 然后去行使其仓库职责.
虽然远距离充电有很大的潜力,但无线充电至今展示给公众的仍然是充电板.
Green 表示：“ 从进展和行业准备情况来看,充电板自2015 年以来已经量产；充电碗/ 表面通过型充电器实际上今年才发布；商用大批量投产后至少经过一年的时间才能实现在一个房间内进行充电——尽管Energous 新品目前展示了该方法在很短的距离内能够工作,例如,几厘米内.”
2016 年仅发售了2 亿多台支持无线充电的设备,几乎所有的设备都采用某种形式的感应（充电板）式设计.
今年九月,在落后其他手机制造商几年后,苹果终于做出了选择,采用了WPC的Qi 标准—— 三星和其他Android 智能手机制造商使用该标准至少有两年了.
第一代移动设备无线充电器出现在大约六年前；它们使用紧耦合或者感应充电,这需要用户把智能手机放在充电板恰当的位置上,给它充电.
Nigant Research 的首席分析师Benjamin Freas表示：“在我看来,完全对准才能充电并不比插入式充电省事.”
Freas 说, 虽然早期采用者和技术人员采用的是感应式充电器,但其他人没有.
2012 年9 月, 诺基亚920 成为第一款提供基于Qi规范的内置无线充电功能的商用智能手机.
无线充电标准之争
几年来,有三个相互竞争的无线充电标准小组专注于感应和共振充电规范,他们是无线充电联盟（A4WP）、充电事项联盟（PMA）和无线充电协会（WPC）.后者拥有296 名成员,其中包括苹果、谷歌、Verizon 和很多名副其实的电子产品制造商.
WPC 制定了最流行的无线充电标准——Qi, 支持感应式或者平板式充电,以及短距离（1.5cm 或者更短） 的电磁共振感应充电.Qi 标准正在被苹果公司使用.
P M A 及其Powermat 共振充电规范在咖啡店和机场推广无线充电技术,而且取得了成功.例如,星巴克在2014年开始推出无线充电板.由于有相互竞争的标准,对移动设备的支持仍然是分散的,大多数移动设备需要适应性的应用情形来支持无线充电.
2 0 1 5 年, A 4 W P 和PMA 决定联手组建AirFuel联盟,目前有110 名成员,其中包括戴尔、金霸王、三星和高通.
作为AirFuel 联盟的成员,金霸王Powermat 宣称其在美国拥有1,500 多个充电点,并通过Powermat 的合作伙伴PowerKiss, 在欧洲的机场、酒店和咖啡馆设立了1,000 个充电点.AirFuel 还宣布在一些麦当劳餐厅提供无线充电.据Freas 讲,这是无线充电得以广泛采用的一种方式.
AirFuel 主要关注电磁共振和射频AirFuel 专注于两种充电技术：电磁共振和射频,您即使四处走动,也能够为您的移动设备充电.
A i r F u e l 发言人SharenSantoski 表示：“ 我们已经看到了明确的市场指标,共振和射频是前进的方向.这两种技术在空间自由度、易用性和易于安装上都有明显的优势,这是创造市场价值和客户满意度的重要因素.我们认为,共振是短期内实现在公共基础设施上广泛部署的最佳技术.”S a n t o s k i说,因此,越来越多的咖啡店、餐馆和机场已经部署基于共振技术的无线充电站.S a n t o s k i 表示：“ 台湾正在大力投资,中国也是如此.”AirFuel 最近宣布了与桃源机场地铁的一个项目, 在列车和车站提供共振充电.家具制造商OrderFurniture 开发出了一系列支持共振技术的家具.
Freas 表示：“ 如果在所有的餐馆和咖啡店里都有充电服务,那么人们更有可能使用它,而在家里用充电板充电.”
Freas 说,这些项目大多还处于试点阶段, 他又补充说, 消费者和企业都不太愿意采用紧耦合充电,而更倾向于松耦合共振充电, 这是因为松耦合充电在空间上更自由一些——把电话、平板电脑或者笔记本电脑放到桌面上, 就能够充电了.WiTricity 和车辆无线充电7 月,戴尔发布的L a t i t u d e笔记本计算机采用了位于马萨诸塞州Watertown 的WiTricity 公司提供的共振无线充电技术,该公司的这一许可技术最初是由麻省理工学院（MIT）开发的.戴尔无线充电器提供高达30W 的充电功率,所以Latitude 笔记本电脑的充电速度与插入墙插进行充电的速度相同.
但W i T r i c i t y 主要关注的是汽车行业.根据WiTricity 公司首席执行官Alex Gruzen,该公司是AirFuel 联盟的成员之一,预计将有多家电动汽车制造商宣布对其车辆提供无线充电支持.
该公司的电磁共振技术支持在距离充电板9 英寸远的地方进行充电.这样,电动汽车充电时,停在一个大型充电板之上即可.例如, 梅赛德斯- 奔驰今年将推出S550e 插电式混合动力轿车,具备使用WiTricity技术的能力；S550e 停在充电板上便能够充电,效率比插入充电更高.Kesler 说,电动汽车应用是为电磁共振充电量身的.这是因为车辆不需要充电电缆,无线充电板充电效率要高于电缆.（Kesler说,有线充电系统使用电子设备把交流电转换成直流电,还需要调节电流大小,效率降低到大约86%.）Kesler 说：“我们的无线充电端到端的效率可以达到93％——从墙壁直到被充电的电池.”
远距离无线充电
本月, 苹果收购了总部位于新西兰的公司PowerByProxi, 这让一些行业观察人士感到意外,该公司开发了基于Qi 规范的松耦合共振充电技术.
PowerbyProxi 成立于2007 年,作为奥克兰大学的衍生公司, 是由企业家FadyM i s h r i k i创立的.P o w e r B y P r o x i已经展示了充电盒和充电碗,可以放置多个设备,同时充电.这家奥克兰的公司开始面向建筑、电信、国防和农业产业销售大型系统.其中一种产品是用于风力涡轮机的无线控制系统.
WPC 指导委员会成员PowerByProxi 将其技术小型化, 把它置于AA 可充电电池中,无需把该技术直接嵌入到设备中.无线技术装置约占AA 电池高度的10％.
苹果可以使用PowerByProxi 的技术来扩展其在无线充电领域的应用,不仅仅是智能手机,还有对电视遥控器、计算机外设或者任何需要电池的设备进行充电.
虽然无线充电技术最明显的应用是在移动设备充电板上, 但这项技术也正在应用于从仓库机器人到微型物联网设备等众多领域, 否则, 这些设备要连接电源线, 或者采用可替换电池供电.
Ossia 和Energous 都已经展示了超过15 英尺的无线充电技术.Ossia 充电器可以向几英尺远的地方发送大约两瓦的电量,但随着距离的增加电量会迅速下降.然而,据Ossia 首席执行官Mario Obeidat,即使在30 英尺的距离上,能传输这些电量也是“有意义的”, 暗指是对设备进行涓流充电,以维持设备的电量.O b e i d a t说：“ 假设我每天在办公室工作8 到10 个小时, 而且我正在接收半瓦或者一瓦的电力；一直在为我的设备充电.所以,如果要花五个小时才能充满电的话,那没关系,因为我一直都在那里.”
私募股权和风险投资公司Sorenson Capital 的董事总经理Rob Rueckert 在早些时候接受《计算机世界》采访时表示：“Ossia 和Energous 我都用过； 技术不错.”
Rueckert 认为, 远距离充电技术比充电板甚至充电盒更有吸引力,因为后者还需要移动设备相对紧密地连接到充电电源.
Energous的WattUp 和Ossia 的Cota移动设备充电系统的工作原理与无线路由器非常相似,发送的射频（RF）信号被可穿戴设备和手机接收.PCB板形式的小型射频天线,ASIC 和软件构成了无线电力接收器.
使用一个尺寸约4x4mm 的多天线管理芯片,Cota 电力发射器可以内置到各种外形封装中,从天花板到桌子、书桌、玻璃、电视和汽车仪表盘等各种外形.
发射器自动检测支持Cota 的设备,并包括了一个温度传感单元,以防止过热.Obeidat 说：“ 我们称之为真正的无线电源.我们的技术和市场上其他技术的区别,比如Qi,在于我们能够远程传送电力.而其他技术要求您把设备放在充电板上.所以,实际上,您必须把设备放下才能充电.”
Obeidat 还声称Cota 充电技术可以穿透墙壁工作,就像Wi-Fi 路由器一样.
Obeidat 说：“ 我们的技术与设备无关.您可以想象在房间里有一个发射器, 它可以同时给智能手机、平板电脑和智能手表充电.”
Ossia 已经在零售货架产品电子标签上试用了它的技术.标签可以告知购物者产品的详细信息或者销售情况,而无需工人放置实物标志或者更改标签.
虽然有些人对只能近距离的传送几瓦电能的想法嗤之以鼻,而投资者却认真的看待这种想法.例如,加利福尼亚州Pleasanton 的AirFeel 成员Energous 在2014 年上市时筹集了大约2500 万美元.
Energous 的WattUp充电器采用了蓝牙无线通信规范.和Ossia 的Cota 技术一样,WattUp 能够发送的瓦数是有限的.结果,Energous 专注于为小型移动设备供电,而不是需要更高容量的笔记本计算机或者电池.
据Energous 发布的信息,一台WattUp 发射器能够为24 台设备充电, 所有这些设备都可以通过软件控制来启用或者禁用充电.最大功率是4 瓦,此时只能同时为四台设备充电.当更多的“授权”设备进入房间时,每台设备的充电功率就会下降.
远距离采用无线充电的一个潜在障碍是,Ossia 和Energous 的技术都不能为支持Qi 的设备充电；该技术是专有的.
只是开始
Green 认为,Qi 和Powermat 提供了一个良好的开端,但强调技术并不是完全无线的.他说：“Qi 发起了关于无线电力的讨论.有必要对消费者进行教育,让他们了解这项技术能干什么.”
从Qi 的充电板充电开始,在用户开始接受无线电源的前提下,很快会要求有更灵活、更强大的解决方案：远距离充电,在充电的同时还能灵活地使用设备.
Green 说：“有一点很清楚,2017 年,还不会出现在一个在房间内提供全速无线充电的设备.而是两个极端——与电线相同的速度进行充电,但在充电板上；或者非常慢地充电,但距离较远.”
Lucas Mearian—— 高级记者,其工作涉及企业移动问题,包括移动管理、安全、硬件和应用程序,以及企业协作技术等.
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参考文献：
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