都9102年了手机无线充电为什么还没普及？

TUfMGyAI · 发表于 2019-7-4 03:54:10

出品：科普中国

制作：刘翠翠（中科院半导体研究所）
监制：中国科学院计算机网络信息中心
Little A:“谁有手机充电线？”
Little B:“我有充电宝，但是没带Type-C的充电线……”
Little A: “……”

△（图片来源：https://www.freepik.com/free-vector/man-covering-eyes-with-hand-doing-stop-gesture_4758513.htm）
众所周知，手机、平板等电子产品虽然给大家的生活带来了很多便利，但频繁的充电问题却让人头疼。一根根充电线、一个个充电头；大大小小、各不相同。倘若出门不带它，就很可能陷入“失联”的尴尬境遇。
早在2017年10月，无线充电手机大家族就迎来了3名新成员：iPhone 8、iPhone 8 Plus和iPhone X。苹果公司凭借着自己强大的影响力，也将无线充电技术真正地带进大家的视野之中。无线充电技术具备先天的优势——便利性，它能避免插拔充电线时“打火”现象的产生，对充电口无损伤，也让移动设备成为无线充电技术最早的“用户”之一。
可是，怎么这么长时间过去了，还是有很多人选择不信任“无线充电技术”，坚持对“剪不得，还理不清”的充电线“爱得深沉，爱得久长”呢？在这里，笔者要为无线充电技术“正名”，还给您一个清晰真实的无线充电技术原貌。

△（图片来源：https://www.freepik.com/free-photo/top-view-man-s-hand-typing-laptop-connected-with-power-bank-cellphone_2652932.htm）

△（图片来源：https://www.freepik.com/premium-vector/wireless-charging-pad-with-mobile-phone-smart-watch_4310443.htm）

从被发明到如今，经历了140年之久的无线充电技术，在不知不觉中默默地“潜入”我们的生活：不仅是手机、平板、智能手表等小型电子设备，电动汽车等大型设备也都成为了无线充电家族的成员。所以，先一起了解一下无线充电是如何实现的吧！
三种无线充电的原理
1、电磁感应无线充电——传输距离太短
随着手机等小型电子产品的普及以及德州仪器、飞利浦、三星、东芝等公司的推动，电磁感应充电技术成为目前手机等小型电子产品行业应用最为广泛的无线充电技术。
顾名思义，电磁感应无线充电技术利用的就是电磁感应原理。对！你没有听错，就是我们中学时学过的那个电磁感应。
这个充电系统主要由两个线圈组成：初级线圈和次级线圈。首先，给初级线圈通以一定频率的交流电，由于电磁感应的作用，在次级线圈中会产生一定的电流，因此能量就从传输端转移到了接收端。
将这个原理应用到手机上，则是充电底座内存在一个初级线圈，手机终端内置次级线圈。当手机与充电座靠近，基于电磁感应，在手机接收线圈就会中产生一定的电流，就可以在没有充电线的状态下对手机进行充电了。
不过，电磁感应无线充电技术也有着很大的缺点，其中最让人头疼的就是传输距离受限。目前，这种技术的有效充电距离只有10mm，并且如果两个线圈位置没有对准，也很可能会出现问题。

（图片来源：参考文献[9]）2、磁共振无线充电——传输距离长、供电效率高，但需要调频

2007年6月7日，麻省理工学院的研究团队在《science》上发表成果，称：成功“抓住”了电磁波。他们将铜制线圈作为电磁共振器，传送方送出特定频率的电磁波后，经过电磁场扩散到接受方，并成功为一个两米外的60瓦灯泡供电。
所以，使用这种充电也需要两个装置：能量发送装置和能量接收装置。而实现能量传输的条件就是这两个装置需调整到相同频率。比如两个线圈作为共振器，发射端以10MHz频率振动向周围发散出电磁场，而接受端需要同样以10MHz频率振动，才能实现能量传输。
磁振器是由小电容并联或串联而成的大电感线圈组成。相比于电磁感应，磁共振无线充电的传输距离更长、供电效率更高，并且支持一对多的供电方式。不过最大的困难在于：如何使两个电路获得相同的频率，调频是这项技术中最核心的一步。

（图片来源：参考文献[9]）3、无线电波输电——传输距离可达10米，但效率低

通过无线电波输电的原理是：将电磁波转换为电流，再通过电路传输电流。
无线电波输电系统主要由微波发射装置和微波接收装置组成。微波发射装置发射无线电波，微波接收装置捕捉无线电波能量，并随负载做出调整，得到稳定的直流电。
理论上，这种无线充电方式传输距离相比电磁感应方式以及磁共振方式都远，可达10米以上；而且也可以实现自动随时随地充电。但是，这种方式也存在很大的缺点，那就是比较低的传输效率。

（图片来源：参考文献[9]）

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（图片来源：作者自制）都9102年了，无线充电技术为什么还没普及？

虽然针对手机的无线充电技术很久之前就被提出，但令人疑惑的是：这么多年过去了，此技术仍旧前进缓慢，到底是为什么呢？
原因一：充电距离限制
普通手机充电器要带一根充电线，还要有合适的充电头或者充电宝；而无线充电发展了这么多年也仅仅是做到了几十毫米距离内的无线充电，这意味着我们外出的时候仍然需要带充电宝或充电头。
原因二：无线充电的稳定性和高效难以兼得
以苹果5W无线充电器为例，考虑到传输效率，将iPhoneX充满电大约需要3小时以上；采用7.5W无线充电器充电也需要近2.5小时。虽然2019年市场上出现了20W无线充电器，以及无线充电宝，但是它的稳定性及充电效率，仍旧是萦绕在消费者心头的大问题。
原因三：无线充电对电池寿命的影响
尽管无线充电技术已经发展多年，但目前市场上份额最大的还是手机领域。所以，我们不得不考虑：无线充电到底会不会缩短手机电池的使用寿命？
△（图片来源：https://www.freepik.com/premium-vector/battery-icons_1961697.htm）
关于延长电池使用寿命的方法参考了苹果公司官网的方法：
iPhone的电池设计可在经过500次的完全充电循环之后，仍能保有多达80%的原蓄电量。完全充电循环是指100%的电量用完之后，进行充电才会计算1次，不是每次插上充电就会计算。假设今天你用一半的电量（50%），插上充电线充满之后，隔天拔掉再使用一半的电量（50%），然后再次充满，这时充电循环次数只会算1次（50%＋50%），而不是插上充电的2次。
最近，外媒ZDNet的编辑也因为自己的iPhone 8 Plus的电池电量储存量下降过快而心生疑惑：无线充电是否会对手机电池寿命产生影响呢？所以，他通过对iPhone 8 Plus手机电池电量以及充电循环次数的记录，证明了“无线充电确实会对手机电池寿命产生影响，电池老化速度甚至会加快50%”的结论。
这位求知欲极强的小编分析电池寿命下降的原因得知：也许是因为无线充电模式下，手机仍旧以电池供电的模式供手机消耗；而在非有线充电模式下，手机则以外置充电线供电的模式供手机消耗，因此，在无线充电模式下，手机电池的完全充电循环会更多。

△（图片来源：https://www.veer.com/photo/123688187#%E6%89%8B%E6%9C%BA%E6%97%A0%E7%BA%BF%E5%85%85%E7%94%B5&3RQ2A72）
当然，也有人对此实验结果表示否定，认为电池寿命的长短主要是制造商的问题，与无线充电方式无关。笔者分析认为，因为无线充电手段使用了无线充电模块，本身就会导致手机在充电时的内耗增加。此外，还会产生相对于有线充电模式更多的热，热积累也会导致手机器件使用寿命的减少。
但是，因为有了无线充电，我们才没有了杂七杂八的充电线的困扰，无线充电宝更是能随时随地给你的手机“力量”，所以无线充电可以极大地方便我们的生活。也许现阶段手机无线充电仍旧存在一些弊端，但是我们相信科技的力量，它会让我们在不久的未来随时随地、高效地为手机和电脑充电。
最后，针对于目前的情况，笔者给出建议：给手机充电最好的方式是——线充为主、无线为辅。但是，针对“到底是有线充电方便快捷，还是无线充电更胜一筹”这一问题，有一个特殊群体不用考虑它，那就是——土豪。不明白？土豪会care电池损坏的速度吗？
参考文献：
[1]石丁,米国挺,王亚亚.浅析无线充电技术原理及前景分析[J].科技风,2019(07):219.
[2]顾祥语.无线充电技术发展现状与发展趋势[J].电子制作,2018(22):67-68.
[3]王西平.电磁感应技术在手机无线充电中的应用[J].电子技术与软件工程,2018(19):112.
[4]王光宇.浅析无线充电技术的主要分类及应用现状[J].中国新通信,2018,20(18):99-100.
[5]孟庆奎.手机无线充电技术的研究[D].北京邮电大学,2012.
[6]王洪博,朱轶智,杨军,孙倩.无线供电技术的发展和应用前景[J].电信技术,2010(09):56-59.
[7]LeonAlice_3.无线充电的原理是什么[EB/OL]. https://jingyan.baidu.com/article/11c17a2cd041cdf446e39dcb.html.2018-05-14.
[8]科星人.聊聊无线充电技术：会损害手机吗？未来能传多远？[EB/OL]. https://new.qq.com/omn/20190220/20190220A02FP6.html. 2019-02-20.
[9] 温超. 新能源汽车磁耦合共振式无线充电系统研究[D].青岛大学,2017.

来源：http://www.yidianzixun.com/article/0MU2PWyV
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