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技術進步讓大眾告別充電焦慮

發布時間:2023-3-23 9:49

  ◎實習記者 都 芃

  充滿一部智能手機需要多長時間?

  幾年前這個數字還是幾個小時,但隨著近年來智能手機充電功率以肉眼可見的速度增長,這個時間如今已經可以用分鐘來計算。

  2月28日,某知名智能手機品牌在官方微博展示了搭載先進快充技術的手機產品,宣稱其充電功率已經達到300瓦,5分鐘內就可將手機電池充滿。

  不僅是有線充電功率在飛速提升,手機無線充電功率相比早期也有了近10倍的增長,一度最高達到67瓦。在智能手機一步步嵌入人們生活的過程中,手機充電技術的飛速發展發揮了不可忽視的作用。

  突飛猛進的充電功率

  伴隨著智能手機的逐漸普及和更新換代,手機能夠實現的功能越來越多,其性能也越來越強大。這帶來的直接后果之一就是耗電速度的大幅加快。

  為了維持手機功能的正常使用,手機電池容量一漲再漲,從最初的約1000毫安時,一路增加到如今普遍的4000毫安時左右,長續航機型甚至可以超過5000毫安時。電池容量的大幅增加,刺激了消費者對充電速度的需求。在“機不離手”的時代,動輒需要數小時乃至一整夜才能“滿血復活”的電池,已經無法滿足消費者對智能手機充電速度的要求。因此,快充技術應運而生,并迅速得到用戶青睞。

  北京理工大學網絡與安全研究所所長閆懷志在接受科技日報記者采訪時表示,雖然快充技術近年來不斷迭代,但其基本原理其實很簡單!俺潆姽β示褪请妷号c電流的乘積,要實現快充,即提升充電功率,要么提高電壓、要么提升電流,或者是二者同步提高!彼硎。

  在智能手機最初出現時,充電功率大多為5瓦,即5伏(電壓)乘以1安(電流)。當快充技術開始起步時,高電流低電壓方案被廣泛采用。在電壓不變的情況下,電流相繼被提升到了1.5安和2安,充電功率也相應增加到7.5瓦和10瓦。但電流的繼續提升對充電線材有著更高的要求,最初的普通充電線和充電插頭已經無法承載更高的電流,快充技術的發展路線也在此出現了分化。

  部分廠家選擇繼續沿著高電流、低電壓的路線前進,于是對充電線材進行升級改造,例如增加充電接口觸點、加裝IC芯片等,將電流提升至5安,充電功率增加到25瓦。另一部分廠家則轉向高電壓、低電流方向,將充電電壓相繼提升到9伏、12伏乃至20伏,把充電功率增加到18瓦左右。

  閆懷志表示,這兩種升級方案各有利弊,低電壓、高電流方案對線材、接口技術的要求較高;而高電壓、低電流方案的問題則是效率較低,導致電池發熱量較大。

  但在不久后,隨著手機的充電接口以Micro USB為主逐漸轉向以USB Type-c為主且充電線材也隨之得到普遍改進,以及各廠家在充電算法等方面進行了深度研發,最終不同的快充方案殊途同歸,共同走向高電壓、高電流路線。充電功率就此開始一路狂飆,被提升至上百瓦。

  在有線充電技術不斷刷新著充電功率的上限時,人們又對充電的便捷性提出了新的要求,無線充電作為新的選項進入人們的視野。

  無線充電所依賴的電磁感應原理同樣很簡單。無線充電器中的充電底座負責把電流轉換為不斷變化的磁場,而手機背部隱藏著線圈,當充電器底座磁場不斷變化時,手機背部線圈中的磁通量也在不斷變化,產生的感應電流便可給手機進行無線充電。相比于有線充電,無線充電功率的提升則要困難許多,其主要瓶頸有無線充電線圈體積過大、無線充電底座發熱等。

  圍繞這些問題,各廠家進行了技術和設備創新,如推出了風冷散熱充電底座等,將無線充電功率提升至與普通有線充電功率不相上下的水準。此外,工信部于2021年發文,將無線充電功率限制在最高50瓦,對過高無線充電功率造成的無線電頻率干擾問題進行了有序規范。

  “軟硬兼施”迭代充電技術

  各種快充模式最終能夠殊途同歸、走向高電壓、高電流方案,背后是各種科技手段的鼎力支持。

  “雙電芯、電荷泵、先進充電協議等多種解決方案的采用,極大地推動了高電壓、高電流快充技術的發展!遍Z懷志介紹道。

  除了各電池廠家在充電方案上不斷推陳出新外,閆懷志表示,從電池“內部”來看,其技術也在不斷進步。如疊層式電極設計、電池材料改進、電解液性能提升、應用高性能隔膜等,這些升級、改造大大縮短了手機的充電時間,起到了促進快充技術迭代的作用。

  除了不斷提升的充電功率,充電技術中還有一項值得注意的改進是,近年來大功率充電器的體積在不斷縮小、質量在不斷變輕。這很大程度上得益于一種新型半導體材料氮化鎵(GaN)的廣泛應用。

  閆懷志向記者介紹道,氮化鎵是一種新型的、寬禁帶半導體材料,屬于第三代半導體材料。相比傳統硅基半導體,其擊穿能力更出色,電子密度、電子遷移率以及熱導率更高。當電流流過晶體管時,開關損耗主要發生在開關狀態的轉換過程中。而在電壓恒定的情況下,氮化鎵能夠提供比硅更小的電阻并減少隨后的開關和傳導過程中出現的損耗,因此使用氮化鎵材料的充電器,其充電效率最高可以達到95%。

  除了硬件的不斷改進,各廠家對于快充算法的深度研發同樣顯著推動了快充技術的發展。通常,不同的快充算法體現為不同的快充協議。

  “通俗來說,充電協議是充電器與用電設備(如智能手機)之間的通信規則,二者必須同時支持某種協議才能夠啟動快充!遍Z懷志用了一個形象的比喻來解釋,快充協議就像是充電器與用電設備在“接頭”時所需的“暗號”,只有在確認對方“身份”后,雙方才可以共同配合進行快速充電。

  目前由于各家智能移動設備產品多采用自家研發的私有快充協議,雖然其能夠大幅提升充電功率,但也在很大程度上限制了快充設備的通用性。

  更快速、便攜、安全是永恒主題

  對于未來充電技術發展的方向,閆懷志認為:“無論未來充電技術如何迭代,也繞不開‘充電更快速、更便攜、更安全’這個永恒的主題!

  在進一步提升充電功率方面,閆懷志列舉出了部分可能的發展方向!耙皇亲尦潆娖魈峁└叩碾妷;二是提升電池自身的性能,例如研發石墨烯電池、改進電荷泵技術、采用多C電芯或單芯多極耳技術等;三是改進數據線及接口,例如優化針腳、線纜設計等!彼f。

  而對于無線充電技術發展,閆懷志表示,制約無線充電技術應用的效率和散熱等問題正在被不斷解決,無線充電技術將向著低成本、遠距離、高效率的方向快速發展。當前,感應式、諧振式、超聲及紅外線充電等技術的應用,為各種近場、遠場的充電無線技術提供了豐富選擇。

  面對不斷增加的充電功率、豐富多樣的充電方式,安全性始終是用戶最關心的方面。

  對此,閆懷志提醒道:“比如,盡量不要等到手機電量過低才充電,更不要邊充邊用,這樣不僅會使電池溫度居高不下、嚴重影響電池壽命,而且存在火災安全隱患。除此之外,盡量選用符合廠商設定的充電協議的原裝充電器!

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