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你的设备准备好了吗?Energous 公司的无线充电技术已经蓄势待发!

Are you ready? Energous's Wireless Charging Technology Has Been Ready!

作者:本站  来源:转载  浏览:933  发布时间:2016-05-20

      远距离无线充电技术是今年 CES 大会上最激动人心的技术之一。Energous 公司在去年(2015 年)的 CES 大会上首次推出了 WattUp 技术。数月前,Energous 公司 CTO(首席技术官)Michael Leabman 在一次采访中介绍了该项技术的系统效率;最近,我们观看并讨论了 Energous 公司在 CES 大会上的演示,并且和 Leabman 讨论了无线充电技术的未来以及该公司 2016 年的计划。


      Energous 公司 WattUp 系统的工作原理可简要概括为:Energous 使用天线阵列发射多种 5.8 GHz 的无线电波的可控波束,从而在装置的周围形成小型能量包,在这个能量包内,装置的接收天线可以接收这种射频能量,然后为电池充电。这种能量传递的范围可达数米。


无线充电真的可行吗?

      由于 Energous 公司的第一次演示是在去年进行的,要想说服人们相信这一切并非骗局并非易事。2015 年的演示中通过无线充电的大多数设备中都有内置电池。例如这项演示中,WattUp 发射器可以将能量传递给带有 Energous 接收装置的、透明塑料包覆的蓝色 LED。


      事实上,这项演示表明 WattUp 可以在一定范围内将能量传递给目标装置,但是四个 LED 并不需要太多的能量。第二项演示就更加有趣了。在该演示中,两个 WattUp 发射器和一个 WattUp 接收器之间相隔大约10厘米,而接收器上有一个 LED 充当载荷:


     这项演示中天线直接和功率计相连接,通过功率计可以读出不同天线所对应的功率。


      其功率为 0.673W,电压低于 5V。在距离目标位置几英尺的地方,其功率迅速下降了数百倍。当接收天线与发射器不平行时,其几乎不工作;但是在实际情况下,由于天线非常便宜,且集成到可穿戴设备中的过程非常简单,因此你可以在每一个表面都放置天线,从而解决方向的问题。在第一幅图中,接收器有一个略大的天线,可以从发射器处获得大约 1.6W 的功率。Leabman 说小型接收器可以从发射器处获得大约 10% 的能量。

      该图片中所呈现的两种传输天线在演示中都涉及到了;当只利用一个天线时,接收器的能量会降低到原来的四分之一。类似的,将天线数量加倍的话可以将接收能量增加四倍。不仅如此,天线阵列越大,能量传输的精度就越高。当你深刻理解了这些影响因素时,你就可以按照你的想法来确定天线的形状和数量。Leabman 也介绍了这些特殊的发射器曾经使用的天线其实还没有经过优化,而现在 Energous 可以在提供相同能量的情况下,将尺寸缩减到一半。同时,据他介绍,现在他们已经可以进一步将这些发射天线排列得更加紧密,从而可以进一步减小发射器尺寸,且将效率提高了两到三倍。而在今年,这种尺寸更小、效率更高的发射器将问世。


WattUp 硬件


      Energous 并不是一家对生产消费产品感兴趣的公司。和大多数无线充电技术公司一样,他们更乐意将硬件产品卖给消费电子产品制造商,然后由另外的公司来完成设备的制造与集成。因此,Energous 的主要工作是使得这种硬件可以更加容易地集成到可穿戴设备、手机或者任何你想要使用无线充电技术的产品中。

      在一台设备中,你需要两件来自 Energous 的产品:一个 3×3 毫米的芯片,完成射频到直流的转换;一根天线,可以捕获来自发射器的射频能量。事实上,如果能将该芯片和蓝牙或者电源管理芯片集成在一起的话,这种芯片可以做到更小。接收天线其实只是两层印刷电路板,其工作频率包括 2.4 GHz 和 5.8 GHz;由于其同时可以用作充电和通讯,因此它可以非常容易地集成到现在的设备中。同时,将多种天线集成到设备中来尽可能接收更多的能量也不是很复杂。更重要的是,芯片和天线的价格都非常低廉,只有大约几美分。

      今年,Energous 公司将专注于 WattUp 的量产准备工作,包括尺寸控制、成本控制以及集成等。公司希望在 2016 年年底时,可以具备制造数亿芯片的能力。

      由于 WattUp 输送功率的总量是由传送天线阵列的尺寸、接收天线的尺寸和两者之间的距离决定的,因此制造商完全可以根据实际应用场景来对其进行设计。但也是由于其充分的灵活性使得解决 WattUp 的整体效率变得更加困难。


无线充电效率

       该系统的效率是由什么决定的呢?答案是:发射器的尺寸、接收器的尺寸、接收器的方向、两者之间的距离以及周围环境特征。Energous 公司指出,当发射器(发射器尺寸较小,且天线经过优化)和接收器直接接触的时候,其整体效率可以达到 50%。据 Leabman 介绍,在 1.5 到 2.5 米的范围内,其效率可以达到 10% 到 15% 左右。经过进一步的采访,以演示中用到的技术为实例,我们可以进一步了解这种技术目前的发展态势:

记者:对于消费者来说,如果是在家里的话,可能会有 1 到 2 个发射器模块,因此如果发射发射功率是 100W 的话,那么可以为不同的设备发射约 1 到 2W 的功率,对吗?

Michael Leabman:50 到 100W 的发射功率下或许可以获得 5 到 10W 的接收功率。你的接收位置并不总是 20 到 30 厘米那么远。有时候你离发射器的位置或许只有 10 厘米远;有时候或许在 20厘米开外。当你的距离从 20厘米缩短到 10 厘米的时候,你的接收功率将会增加 4 倍。Leabman 继续强调了 WattUp 系统的可扩展性以及随后的变化,这也是一个留给制造商的效率问题,虽然可以获得的效率范围看起来已经非常不错:「最终的效率问题其实不由我们说了算,我们并不生产最终的产品。我们只是提供设计参考,但是一切还是需要由厂商决定。我认为在一年半以前,人们非常关心效率。显然,如果你有一个 200 到 300W 的电源,这并不环保,而且消费者也不会满意。我认为我们最终会将功率降低到 100W 以下,且传输距离也会在合适的范围。」

      就效率问题,Leabman 继续介绍道,「就无线充电技术提供的便利性而言,我认为对于大多数消费者来说,效率并不会是一个非常重要的问题。从原则上来说,如果效率低下,意味着我们在浪费能量,但是考虑到我们每天浪费的其他能量,通过无线充电过程浪费的能量就微不足道了。如果有一个人拿着一部手机告诉你,从此以后你不用再担心充电的问题,但是你需要使用 50W 的电源而不是 5W,你会因为效率问题拒绝这样一部手机吗?毫无疑问,无线充电的效率总是赶不上插拔式充电,但是其效率也不是很低,因此我认为大多数人还是会选择更加方便的无线充电。」

      不仅如此,如果你的手机可以一直处于充电状态,那么你需要的总能量就会明显降低,这样也会降低效率的影响。你不要把无线充电看做是插拔式充电技术的替代品,而是看做一个一直处于充电状态的充电方式。当你的房间有无线充电器的时候,你并不需要高能量的充电,因为你的电池电量并不会真正降到很低。


安全和认证


      诚然,大量的射频能量浪费到环境中确实是低效的表现,但是更大的问题是这样做是否安全。射频辐射并不是离子化过程,意味着这并不会对你的 DNA 造成威胁,亦或是引起癌症等健康问题。但是这仍然是能量,它会引起其他反应,例如在能量足够高的情况下,可能会对周围环境加热。美国联邦通信委员会制定了人类可接受的射频辐射的范围,其中 part 15 就是针对通讯设备的。对于无线充电的管制由 part 18 控制,很多设备的射频范围也在此之列,例如医疗和科学设备。

      Energous 也意识到了这些并不明晰的监管障碍,但是因为一些原因,这个问题也还一直没有解决。原因之一就是这个过程的进展并不顺利,根据计划,该公司希望等到有硬件产品的时候才开始这个过程;另一个原因是避免自己直接出面和联邦通信委员会(FCC)交涉。考虑到这些,Energous 已经和一家一级消费电子产品公司合作,以便可以从合作伙伴处获得一些经验。就这个问题,Leabman 介绍了更多细节:

记者:您如何能保证 WattUp 对人一定是安全的?您又如何能保证这款产品会通过 FCC 认证?

Michael Leabman:只要涉及到功率等问题,我们就必须通过监管。而射频有自己的监管标准。如果我们希望在一个很小的区域内传送 5W 的能量,我们就需要获得认证。和一级消费电子公司合作的一大优势是,他们在 FCC 领域一直处于领先地位。他们的 FCC 团队比我们的整个公司还要大;他们已经完成了数百件产品,因此他们知道如何来处理这样的问题。我们已经和他们共事了一年,我们采用的方法是他们不想分享的,但是你必须要保证技术的安全,无论你是站在发射器之前或者在距离之外。记者:那么贵公司是否有相应的计划?

Michael Leabman:当然。当你有一个数十亿美元的公司,你最不想做的就是毁掉自身的形象。因此对于他们来说,这是非常重要的。安全是最重要的一方面,如果他们不认为这里有一个很清晰的计划的话,我们不会有与他们一起工作一年的机会。

       任何无线充电都需要通过 FCC part 18。Part 18 并没有在距离方面来考虑射频,而这也正是我们要提交给 FCC 的部分,他们需要理解该系统的工作原理,以便我们的申请可以获得通过。而这也需要一定的时间。我认为我们有一个非常清晰的计划,而这也是我们的合作伙伴唯一让我们可以透露的部分。记者:当你在完成 FCC 的这一流程时,是否意味着他们有一个认证清单,而你们需要完全满足这些要求,以确保产品的安全,或者需要满足的要求更多?

Michael Leabman:既是,也不是。当然,对于射频来说有很多相对应的法规要求,哪些是安全的,哪些是不安全的。对于手机来说,有比吸收率(SAR),最大允许曝射量(MPE)。关于射频的好的地方是,他们知道什么是安全的,他们有相应的法规,因此这是所知道的部分。在 Part 15 之下你能传输的最大功率是 1W。显然,如果你想要传输 1W 的功率,你的发射功率肯定需要大于 1W。当 Wifi 诞生的时候,人们也花费了一定的时间才认识到它是安全的,后来人们接受了 Wifi。因此,我们说,我们有非常清晰的计划。记者:在 Part 15 时,传输功率不能超过 1W,是因为当传输功率高于 1W 时就不安全吗?

Michael Leabman:在 Part 15 时,事实上,当你使用定向天线,例如碟形天线时,传输的功率可以明显高于 1W。但是这些规则其实已经是 20 年前制定的,没有人能够在 20 年前预料到无线输电技术的存在。很多的标准其实制定得比较宽泛,例如 Part 18,因为没有人知道其将会是什么。那么,对于无线充电来说,这意味着什么呢?我们需要告诉 FCC 无线输电的工作原理,并且告诉 FCC 其在各个区域都是安全的。因为这是一个全新的东西,所以你需要经过所有的这些过程。

       我希望 Energous 能够推动这个过程的发展,但是这个过程确实非常不容易完成,因为这是完成从技术到产品的飞跃。我相信这个过程一定会实现,因为 Energous 合作的公司是一家全球 1 级消费电子产品公司,这样的公司在合作之前必定是有信心可以制造出安全的、可以通过 FCC 认证的产品。 2016 将会有什么变化

      开发一个以全新平台为基础的技术的问题是,你很难说服制造商在没有消费需求的情况下将其制作成产品;而如果设备集成的话又很难产生消费需求。例如:我对无线充电非常感兴趣,但是我并不会在我的手机上加一个体积庞大的设备来利用这种技术。那么,你将如何要求制造商投资这种技术?使用无线充电的时候,又会有另外一个问题:一旦你离开家,你就陷入了麻烦之中,因为其他区域还没有应用这种技术。

       Energous 对于这两个问题的解决方案是从小部分开始。他们开发了一款并不昂贵的通过 USB 供电的 WattUp,这种设备可以在短距离内为一些小型装置无线充电。和传统的电源不同,这种产品和可穿戴设备一起销售。

      例如,你购买一款健身腕带时,相应的充电设备不是 USB 适配器或者电缆,而是 WattUp 无线充电设备,且你无需另外花钱。需要充电的时候,你无需将它解下来,而只需将 WattUp 插入到电脑的一个连接口就可以。或者你可以将其解下来,放到离适配器不远的地方进行充电。远距离无线充电不再是梦想,但是还需要花费更多的时间和精力来进行进一步研究。而且当你计划将充电设备更新为更大型的、可以进行更远距离充电的 WattUp 发射器时,你的健身腕带也可以充分利用这种新型无线充电设备,因为它已经是这个生态系统的一部分。

       这种小型无线充电装置的适配器的技术和 WattUp 的大功率发射器其实是一致的。由于其对于近距离传输进行了一些优化,其天线是由超材料制成,其设计略有不同。重要的是,你的设备并不会区分你是采用的近距离适配器还是远距离天线。如果设备可以通过一种装置充电,那么它也可以通过另一种装置充电。

      尽管将这种技术优化后应用在小型可穿戴设备上是一种非常明智的选择,但是该公司的合作伙伴想要直接将 WattUp 接收器集成到移动消费电子产品或者配件上,这或许意味着平板电脑或者手机。该公司同样也会制作 WattUp 功率发射器。Energous 有信心在 2016 年末或者 2017 年向市场推出这样的产品。


无线充电技术的未来

      通过一系列的演示,我们可以体会到这种技术的工作原理和方式,但是这和最终的消费者产品还是有很大的差距。而距离最终成为产品还有很长的路要走。Energous 和其他无线充电技术公司一样,都非常善于传递梦想,并且在有限的条件下为你呈现这个梦想。

      这项技术确实可以实现,但是需要其更加可靠、成本更加低廉、更加安全、同时还需要被消费者接受。它会改变我们现在的世界吗?例如替换现在的手机生产线,就像 Wifi 曾经做到的那样?也许会。就我个人而言,我希望如此,因为我真的讨厌不断通过充电器充电的日子。但是只有当我们真正拥有了内置无线充电技术的消费者电子产品时,我们才能说,「是的,这个世界正如我们曾许诺的那样。」保持一定的实用主义(与怀疑主义)都是重要的。


文章来源:IEEE Spectrum.由 TECH2IPO / 创见 林云箫 编译,首发于创见