聊一聊无线充电那些事儿

不知道各位有没有发现，近些年的智能手机在材质的选择上，无论是高端与否，都开始有意将金属材质排除在手机之外。固然，这里面有控制成本和全金属机身信号天线不好设计的原因在，但还有一点，就是对于无线充电功能的考虑。在2023年的今天，市面上的手机已经有越来越多的型号开始支持无线充电，不知道各位读者手中的手机里是否也集成了无线充电的功能呢？对于各位来说，无线充电的加入有没有提高手机的使用体验呢？这篇文章，我们就来说道说道。

其实无线充电这项技术并不是一项全新的技术手段，早在1890年，塞尔维亚裔美籍物理学家兼电气工程师尼古拉·特斯拉就提出了无线输电的构想，发明了“特斯拉线圈”，开启了无线式电力传播时代的大门。但是，特斯拉的脑洞过大，就算是今天也难以实现，更不用说100多年前了。而我们今天智能手机中所采用的无线充电标准则是在2008年12月，由飞利浦电子、德州仪器等几大公司携手组建无线充电联盟WPC，共同制定无线充电标准Qi并在其诞生的十几年的时间中，被广泛采用，成为了全球分布范围最广、最普及的无线充电标准。

我们先来说说，具体什么是无线充电。顾名思义，无线充电技术是指无需借助电导线，在发送端和接收端用相应的设备发送和接收产生感应的交流信号来进行充电的一项技术。无线充电技术有四种，分别是电磁感应、磁共振、无线电波和电场耦合。而目前的智能手机主流都是采用的Qi标准就是以电磁感应原理来为手机进行无线充电。

所谓电磁感应，中学物理课上曾经讲过这个概念，不知道各位当时有没有认真听讲，其概念也很简单，就是当电流通过线圈时，会产生磁场，当闭合电路磁通量发生变化时，会产生感应电动势。无线充电就是这么一个过程，无线充电底座的作用就是将变化的电流转换成磁场，而手机背板里的的无线充电线圈，因为底座磁场不断变化，所以线圈中的磁通量也在不断变化，产生感应电动势，从而进行充电。使用电磁感应进行充电最大的优点就是能量效率较高、技术简单。但是其缺点也显而易见，就是它做不到真正的无线充电，它的有效传输距离只有1cm左右，并且，充电效率也受到手机摆放位置的影响，因此，还是需要手机时刻都准确地放在充电底座的线圈上，一边无线充电一边玩的场景十分受到限制。所以，这就是如今无线充电很尴尬的地方，在绝大数场景下，无线充电并不是真的”无线”充电，手机必须要放在充电器之上，对于可以边冲边玩的传统有充电来说，甚至还更麻烦了。但是，如果是在汽车、办公室等不经常使用手机的场景中使用，目前的无线充电技术还是可以提供一些便利性的，放下即开始充电，有事儿便可以将手机那走，不用在多一步拔掉充电线的操作，这时，无线充电还是有它存在的价值的。

那么，现在有没有一种可以做到真的无线充电的技术呢？其实还是有一些概念机型存在的，就比如小米公司于2021年推出的隔空充电技术就是其中之一。虽然直到今天，这项技术还是没能商用，但我们还是能在其中，一窥未来的“真·无线充电”的产品技术和其形态。

小米隔空充电技术

第一，我们先来解释一下什么是隔空充电，上文也提到过，目前的电磁感应技术只能做到1cm之内的能量传输，而隔空充电，就是要大大延长这个距离。隔空充电，是用天线把电路中的电流转化为空间中的电磁波，即把能量从设备里辐射到空间中，再在一定距离之外，用天线把空间中的电磁波转化为电路中的电流，实现能量的接收。

第二，我们来看看目前想要实现隔空充电需要克服什么困难。

首先，就是要解决电磁波的定向性（术语叫天线方向系数），打个比方来说，就是我们需要做出一个手电筒高度集中的传输，而不是一台电灯四面八方照。所以，我们就需要波束赋形技术来解决这个问题，所谓波束赋形，就是利用波的干涉现象，来控制电磁波的方向。想象一下，你往湖中很近的两点扔了分别扔了一块石头，那么它们激起的涟漪，一定就是下图这样。

水中的涟漪

可以看出，有的地方水波增强，有的地方则减弱，并且增强和减弱的地方间隔分布，在最中间的狭窄区域最为明显。如果波峰和波峰，或者波谷和波谷相遇，则能量相加，波峰更高，波谷更深。这种情况叫做相长干涉。反之，如果波峰和波谷相遇，两者则相互抵消，震动归于静寂。这种情况叫做相消干涉。如果把这个现象扩展到电磁波上，就会得到下图

这样就能将原本发散的能量集中到一条直线之上，从而实现隔空输送电力，为手机充电。一般，频率越高，越容易做到高定向性，穿透性越差，因此，就需要增大阵列的的面积，从而收窄波束，但是一旦这样做，且不说电磁波段的使用是有严格规定的，单单产品的体积就很难控制。

其次，便是手机位置的实时跟踪。作为一个手电筒，它必须要知道自己需要照哪个方向，其实实现这项功能的技术很早就存在，并且已经在军事上大规模运用，这便是雷达上的相控阵技术，如果各位想要了解什么是相控阵技术，可以移步下面这篇文章，这里就不展开阐述了。

有源相控阵与无源相控阵雷达

http://www.eepw.com.cn/article/202208/437292.htm

虽然技术上很容易解决，但是在商业的角度上看，相控阵技术最大的问题就是十分昂贵，短期内，很大大规模进入市场。

最后，便是难以接收。就像手电筒一样，几米之外，手电筒的光就会发散成一个远比手电筒口径大的光斑；波束再怎么聚焦，在几米外也已经是一个截面积比发射天线更大的波束了，手机上的接收天线，撑死了跟手机一样大，最多在这个波束里“截”下来跟手机那么大面积内的能量，大部分能量还是浪费掉了。况且手机接收天线设计有诸多限制条件，要做到高孔径效率很难，而且有角度依赖性。很有可能隔空充电底座的发射功率是100W，到了手机这里只剩了5W甚至更低，大量的电能会白白浪费掉。

总之，如今的隔空无线充电还是一个技术上可能成熟，但是工程上问题很大的新产品，小米在2021年推出的概念产品，到今天也没有正式量产，就证明了实用的隔空充电技术还有许多问题，笔者认为，在未来的5年内传统的磁感应式无线充电，仍然会是市场的主流形态。如今，更有可能快速推入市场的，更有可能是新能源汽车的无线充电，当然了其采用的技术，应该依旧是传统的磁感应式。