和手机贴在一起的无线充电已不新鲜
像WiFi一样的“隔空充电”了解一下
近日，据媒体报道， 同多数大型零售商一样，美国沃尔玛百货公司正在计划用小型电子屏幕取代货架上的纸质标签，这样就能快速、低成本地更改价格并进行促销。但从纸片到屏幕的转换又面临一个问题——屏幕需要电力。目前，沃尔玛正在同奥西亚公司合作，采取“远距离充电”技术，也称“隔空充电”（Cota）来解决这个问题。
隔空充电，听起来很神奇的样子，其原理是什么，究竟是怎样实现的？
隔空“收集”电磁能实现充电
“沃尔玛这种‘隔空充电’的原理并不深奥，它是‘无线充电’技术的一种具体应用。”近日，北京理工大学计算机网络与对抗研究所所长闫怀志在接受科技日报记者采访时说。
闫怀志介绍，所谓无线充电，是指采用非物理接触方式实现的电能无线传输技术。
无线传能的设想由来已久，早在100多年前特斯拉就提出通过大气电离层来实现全球无线供电的设想。
能量守恒和转换定律在自然界普遍适用，电磁空间也不例外，这一点可以用楞次定律来证明。楞次定律的本质是“感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。当线圈中的磁通量增加时，其中感应生成电流的方向与使它所产生的磁场方向相反，而当线圈中的磁通量减少时，则感应生成电流的方向与使它所产生的磁场方向相同。正因为电磁感应现象同样遵循能量守恒和转换定律，因此人们能够通过电磁感应来实现能量的转换和传播。
“具体来讲，沃尔玛采用的这种隔空充电方式，是由一个电能发射器提供能量源，在特定的方向范围内发射一定频率的射频谱，由此创建一个三维的电磁能量空间。”闫怀志解释说，在该射频信号所覆盖的空间范围内的电子设备，如果配有相应频谱的信号接收装置就可以接收该信号，实现与发射端的电磁感应，从而可以隔空“收集”发射端经由空气传播而来的电磁能量，实现接收电子装置的无线充电。
北京邮电大学信息与通信工程学院副教授尉志青进一步解释说，沃尔玛隔空充电设备的工作原理和WiFi、蓝牙相似，由一个发射机和多个接收机组成。发射机内部集成了数百根微型天线，而接收机只有硬币大小，安装在需要充电的设备上。接收机会在电量较低时给发射机发送充电的请求信号，发射机接收到请求信号后以每秒100Hz的频率为设备充电。在控制充电的APP中，可以指定充电设备和充电策略（例如优先为电量低的设备充电），最多可以同时为32台设备进行充电。
人们关心的这种隔空充电技术所能达到的距离和充电时间，闫怀志表示，主要取决于两个因素，一是发射装置的无线频谱发射功率，二是该无线频谱的发射频率。
据介绍，沃尔玛的这种隔空充电装置的实验室原型系统是CotaTile，发射功率为20瓦，距离1米远的设备接收功率大约为6瓦，距离2米远的设备接收功率为2至3瓦，最远可为距离10米的设备充电。
你还能见到这些无线充电技术
除了这种隔空充电的方式外，当前常用的无线充电方式还有很多。
闫怀志介绍，首先是电磁感应技术无线充电，又称为Qi标准无线充电。目前市面上小米、华为、苹果的最新机型应用的无线充电大多采用的是这种方式。用户可以将手机放在充电底座上充电而无需充电线。
尉志青说，其工作原理是，无线充电底座和手机分别安装了发射线圈和接收线圈，利用电磁感应现象，当两者靠近时，充电底座内的发射线圈接入交流电产生交变磁场，磁场的变化让接收线圈内产生电流，从而将能量从发射端转移到接收端，即从充电底座向手机进行供电。这种方式的优点是充电效率较高，智能手机充电效率可达80%，不足之处是充电距离较短，通常需要将手机紧贴充电底座。
其次是电磁共振无线充电，这种充电方式采用谐振器件使得发射端与接收端达到同一频率，而同样的共振频率是能量转移的必要条件，通过磁场共振就能实现电磁能量的交换。相比于电磁感应，这种方式的优点是无需“紧贴”，智能手机充电距离可达10厘米，但其充电效率略低，通常不足70%。
此外，还有无线射频技术，该技术以空间电场作为能量传输媒介，在交流电磁场的作用下，产生交变电流，从而实现电能的远距离无线传递。这种方式的优点是充电距离远，不足是电磁辐射强、转换效率低。
“无线”虽好面临挑战也不小
“相对于有线充电，无线充电的优势非常独特，包括使用的便捷性、传输的安全性、装置的紧凑性以及环境融入性等，但也存在着诸多挑战，具体体现在技术和非技术两个层面。”闫怀志说，技术层面看，无线充电涉及电能信号无线发射、高频转换、耦合线圈设计、系统协同控制、电磁屏蔽以及电磁干扰等技术难题。例如，虽然从近距离的RFID设备、智能手机、平板电脑、智能手表、助听器等，到远距离的无人机甚至是太空中的航天器，均可采用隔空充电的方式充电。但由于隔空充电利用的是电磁感应原理，因而任何破坏或削弱电磁频谱信号传播的因素，如电磁屏蔽、功率不足、频率不稳等，均会对其造成致命影响。非技术层面则存在着无线充电设备成本较高、技术标准难以统一、公众对电磁辐射存有疑虑等问题。
但他相信这些问题必将随着技术的进一步发展而得到有效的解决。
尉志青补充道，无线充电最大的问题是充电效率低，一般只支持5W的充电功率，稍微快速的充电也只有7.5W功率。此外，关于公众对无线充电可能带来的电磁辐射的担忧，需要企业和评测机构进行严谨的试验、广泛的科普宣传，才能打消公众顾虑。由于无线充电的充电范围较大，未来在物联网领域将有广阔的应用前景。（记者 付丽丽）
