揭秘小米隔空充电背后技术

今天,小米首发了移动端的隔空充电技术,手机无需放在充电板上,拿着玩游戏、躺在床上刷网页的时候都可以充电。

摩托罗拉也在今天一大早抢在小米前一个多小时展示了自家的隔空充电技术,其充电发射器更加小巧。2017 年 iPhone X 刚刚发布时,手机无线充电功率仅为 7.5W,仅仅三年多过去,小米在去年 10 月将手机无线充电功率推升至 80W。

目前华为、OPPO 量产的无线充电功率在 40W 左右,小米为 50W,在无线充电功率达到了有线充电水平之后,隔空充电这种 “真无线”充电方式可能将成为了下一个技术突破口

其实无线充电技术原理最早被证实可行是在 2007 年麻省理工学院的实验室里,研究员利用铜制线圈作为电磁共振器,实现了无线电力传导。但直到 10 年后,苹果才将技术落地在了手机里,可见无线充电技术实现商用量产,其难度之大。而更进一步的隔空充电,概念提出也有七到八年的时间。为什么今天摩托罗拉、小米接连发布隔空充电技术,隔空充电技术应用与手机的背后,究竟需要突破哪些技术难题,隔空充电领域有哪些行业 “老炮”?隔空充电技术,又是否会成为无线充电产业的下一个里程碑?

01. 无线射频技术是未来,“效率高、充的准”是关键

其实无线充电技术主要分为三个大类,电磁感应技术、电磁共振技术和无线射频技术。现在我们最常见的,苹果、三星、华米 OV 等厂商都在使用的无线充电技术就是电磁感应技术,主要通过电磁线圈进行能量转换和传递。比如各类无线充电板、无线充电底座,使用的都是这种技术,而我们熟知的 Qi 标准就是建立在该技术之上。

当然,电磁感应技术发展至今已经比较成熟了,它最大的特点之一就是充电效率高,转换率通常在 80% 左右,而它的弊端也很明显,就是手机必须要和充电板紧贴在一起,自由充电距离几乎为零。

电磁共振技术在充电距离上比电磁感应稍进一步,可以允许 10cm 左右的无线充电,但是充电效率相对较低,转换率在 70% 左右。目前市面上有一些充电板,允许用户固定在办公桌的底部,手机放在桌面上就可以充电,其利用的就是电磁共振技术。

而今天我们看到小米发布的隔空充电技术,就是一种无线射频技术,这类技术的原理就是把空间电场作为能量传输的媒介,这样一来在充电距离上能够有显著的突破,充电方式也可以变得更加灵活。

▲小米隔空充电方案

小米这套无线充电系统由 144 根天线组成,可以将能量通过毫米波极窄波束的形式传递给手机,手机端通过微型信标天线接收,可以在半径数米的空间内,实现功率为 5W 的远距离无线充电。摩托罗拉的隔空充电方案中,发射器的体积更加小巧,大约跟常见的无线充电底座大小相当,并且可以同时给多部设备充电。不过,摩托罗拉并没有公布其隔空充电方案的具体功率。

▲左:摩托罗拉隔空充电发射器,右:摩托罗拉隔空充电方案展示

电磁感应和电磁共振两种无线充电技术其实并非 “真正无线”,仍然需要设备与充电底座保持较近距离,而无线射频技术无疑成为未来突破这一限制的主要技术实现路径。

当然,隔空充电的问题也很明显,就是充电效率比较低。在无线充电技术路线的选择上,颇有些 “鱼和熊掌不可兼得”的意味。但是,手机用电快,电池容量大,给手机充电,最关键的、对体验影响最大的因素,一定是充电速度,充电速度由功率决定,充电效率低,无疑成为了拦在隔空充电和手机之间最主要的障碍之一。另外,给手机隔空充电的另一大挑战,就是手机可能会处于不断移动的状态,因此对于手机的准确定位就变得十分关键。

更准确的定位,也可以对充电效率有明显提升,避免能量浪费。在智东西与小米快充团队工程师王彦腾的深入交流中,他认同隔空充电发射端频率、功率的相关技术,以及对被充设备精确定位的相关技术,是非常重要的两点。不过他特别说道,这两点固然重要,但是这其中有非常多的子项,每一项都在技术上充满了挑战。

02. 毫米波也能玩充电,行业 “大佬”仍然美日企居多

无线射频技术作为无线充电的一种方式,还有一个比较明显的优势,就是它所能够利用的射频类型非常多样,包括毫米波、厘米波、红外线、蓝牙甚至是 WiFi 都可以为其所用。因此这也为行业中的企业选择不同技术路线,差异化竞争提供了便利。在隔空充电领域,美国企业相对起步较早,如 Ossia 和 Energous 都有十年以上的发展历史。

Ossia 在公众视野中出现频率还比较高,他们于 2008 年成立于美国,早在 2013 年底就提出了无线充电的概念,在三年后的 2016 CES 展会上,他们第一次秀出了自己的隔空充电方案——无线充电基站 Cota。

Cota 呈一个桶状,体积较大,据称可以在 3 米左右的范围内,对设备进行定向充电,并且 Ossia 还特意为这个充电系统设计了一种电池,可以进行隔空充电,这对于居家生活中的各类遥控器十分友好。

Cota 利用的是厘米波技术,最初频率大约为 2.4GHz,与 WiFi 的频率十分接近,因此手机并不需要增加多少硬件就可以实现 Cota 隔空充电。这种厘米波隔空充电在充电时要先进行一个类似于 “配对”的过程,与蓝牙或 WiFi 配对相似,手机收到 Cota 发出的信号后,会向 Cota 进行逆向发送,从而让 Cota 确认自己的位置,建立传输路径,然后在进行能量的传输。

不过这种 Cota 隔空充电的功率仅为 1W 左右,实际利用价值并不高,只是作为一个概念产品进行展示。值得一提的是,有外媒报道,Ossia 曾经与沃尔玛合作进行了一个试点项目,通过一个嵌在超市天花板上的 Cota 发射器,为大约 1000 个货架上的电子标签进行充电。这样的想法很有创意,从中我们也能看到当时的技术仅对于这种电池容量低、耗电量低,充电需求不高的产品有一定使用价值。

提到无线充电技术,美国 Energous 是一家避不开的巨头,它成立于 2010 年,成立五年后,就在 2015 年的 CES 展会上展示了自己的 Wattup 无线充电技术,可以在大约 4.6 米的范围内给多台设备进行隔空充电。

Wattup 所使用的是 WiFi 频段,发射设备的功率有一定优势,大约为 10W 左右。值得一提的是,Energous 在 2017 年和苹果芯片供应商 Dialog 达成合作关系,称将共同开发超远距离无线充电技术,并且在 2019 年,他们还与国内手机厂商 vivo 达成了合作,将就无线充电技术展开合作。如今两年过去了,vivo 也可能在无线充电技术领域憋了大招。

相较于两家老牌企业,美国另一家成立于 2017 年的年轻创企 GuRu 则大胆使用了毫米波技术,在 2020 年的 CES 展会上,他们推出了一款隔空充电设备,外形酷似 “台灯”,将手机放在灯下,就可以进行隔空充电。

据了解,GuRu 利用了无线电频率透镜(Radio Frequency Lensing)技术,将无线电集中成一束,并通过空气发送到安装了接收单元的手机等设备中。而无线电频率透镜技术,据称也是隔空充电领域核心的关键技术之一。不过 GuRu 的无线充电台灯无法在有遮挡的情况下为设备进行充电。

相比于 GuRu,今天小米展示的隔空充电方案则显得更加成熟,不仅可以实现无遮挡充电,并且充电功率也提升至 5W 左右。5W 的功率放在现在的手机行业中可能有点 “不够看”,但不要忘了,之前美国这些先发企业所推出的解决方案,大多也仅有 1W-2W 左右的充电功率,其无法在消费电子领域大规模应用的主要原因之一,也是充电效率不具有可用性。

另外,仅仅在一年之前,苹果 iPhone 标配的充电插头仍然是 5V 1A,功率也为 5W,可以说,现在隔空充电的功率已经做到了早期有线充电的水平。

03. 大规模落地仍需解决成本问题,消费观念、标准落地老大难

两家手机厂商隔空充电技术今天的集中亮相,其实是经过了行业十几年的漫长技术积累的。不过我们可以看到,不论是展会中的概念产品,还是 ToB 端的小规模商用,隔空充电在消费领域的大规模商用仍然存在许多挑战。

从小米的演示视频以及美国企业的案例中我们不难看出,“隔空充电桩”,也就是隔空充电的发射端设备目前体积还比较大,并且工艺比较复杂,使用的射频材料也比较昂贵。如何在兼顾发射功率、频率的基础上,将成本降到一个合理的范围内,降到一个消费者可以接收的范围内,仍然是一大难题。另外,隔空充电的目前演示方案的功率仍然需要进一步提升,并且对于设备的寻找和定位还要更加精准,因为实际家庭居住环境是十分复杂的,会进一步提升对定位精度的要求。

除了技术上的难题,其实在隔空充电早期发展的过程中,还有许多关于该技术的质疑声都部分集中在了是否会对人体健康产生影响。早年间许多人甚至认为手机信号、WiFi 信号都会对身体产生辐射而影响健康,但实际上这些无线电波对人身体是几乎无害的。比如毫米波就不同于α、γ和β射线,它不会对照射物体产生化学反应,从而也不会使物体产生任何 DNA 变化。并且目前没有任何一项实验数据表明,毫米波的辐射会给人体健康带来负面影响。

▲非电离类型的辐射和电离类型的辐射

但即便如此,对于消费市场的教育都需要时间,初期用户对于这种充满未知的技术抱有一定怀疑也是可以理解的。另一方面,技术的落地离不开行业规则的完善,各个国家也会针对本国情况制定相关法律法规。

以目前情况来看,即使在业内可以称为元老级别的 Ossia 和 Energous,都没有在美国本土获得 FCC 对其使用的所有频段的技术认证。

中国在无线充电技术领域起步较晚,要追赶的空间还比较大,在行业法律法规的制定上也有更多需要填补和完善的地方。对于今天小米推出的隔空充电技术,智东西也与充电头网资深业内人士进行了深入交流,他们普遍认为,这次的技术亮相更偏向于概念性。“隔空充电技术在智能手机领域的商用,仍然需要解决包括安全、法规、成本等一系列问题,保守估计还需要几年的时间”,充电头网站长姚伦慧告诉智东西。

04. 结语:无线充电难分胜负,自研技术掰掰手腕

手机无线充电发展的前三年,完成了充电功率飞跃式的提升,从 7.5W 到 80W,提升了十倍有余。而从 2021 年开始,随着小米隔空充电技术的发布,无线充电的方式又发生了颠覆性改变。

无线充电,似乎第一次可以摆脱线缆的束缚,做到 “真无线”。当然,隔空充电技术在充电功率、转化率、成本、安全、法规等方面还有许多要完善的地方,距离真正商用落地,尚需时日。

不过可以看到,从屏幕到快充,从拍照到芯片,手机核心技术,正越来越多的从纯供应链技术,走向产业链的下游,更多终端厂商开始都更加重视从源头掌握核心技术,增加自己的自研比重。

毫无疑问,2021 年的智能手机大战,在头部效应凸显,品牌效应增强的当下,技术仍然是硬通货。

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