はじめに
ある日突然、どこに行っても、スマホを置くだけでいつでもどこでも充電できるようになる。食事をする、カラオケを歌う、足を洗う、コーヒーを飲む、鍋を食べる、おしゃべりをする、電車に乗る、飛行機に乗る......どこにいても、スマホを置くだけで充電できる。昔は魔法のようなものだと思っていた。しかし今、その魔法は少しずつ実現され、日常になりつつある。今日は、この魔法のようなテクノロジーの過去と現在を探ってみよう。
ワイヤレス充電とは？
ワイヤレス充電器は、充電が必要な端末機器に接続するために従来の充電用電源コードを使用しない充電器である。最新のワイヤレス充電技術を使用し、コイル間に発生する交番磁界を利用して電気エネルギーを伝送する。誘導結合技術は、充電基地局と機器をつなぐ架け橋となる。
ワイヤレス充電技術は2007年に20件の特許を取得。複数の機器が1つの充電ベースステーションを使用できる。将来、携帯電話、MP3プレーヤー、電動工具、その他の電源アダプターの有線充電が存在しなくなる日が来るだろう。
ワイヤレス充電技術はどのようにして生まれたのですか？
早くも1830年代、マイケル・ファラデーは、周囲の磁場の変化が電線に電流を誘導することを発見した。
1890年代、セルビアの科学者ニコラ・テスラが最初の特許を申請した。
残念ながら、この分野の研究は1世紀も遅れていた。最大の障害は、伝送効率が低すぎて危険だったことだ。電磁波は情報を伝達するのに適しているだけで、エネルギーを伝達するのに適しているわけではない。放射線には指向性がないため、エネルギーは無駄な空間で浪費される。レーザーのような指向性のある電磁波を使うことを思い描く人もいるが、あまり現実的ではなく、危険極まりない。
香港城市大学電子工学科のシュー・シュユアン教授は数年前、「ワイヤレスバッテリー充電プラットフォーム」の開発に成功した。この充電台は、外部配線なしで複数の電子製品を置くことができる。低周波電磁界によって自動的に充電され、充電時間は従来の充電器と同じである。しかし、この技術ではまだ製品と充電器の接触が必要で、主に近接場電磁結合の原理を利用している。
マサチューセッツ工科大学の研究者たちが、ワイヤレス送電で新たな進歩を遂げた。彼らは2メートル離れた電源を使って、60ワットの電球を "地面を横切って "点灯させたのだ。
ソリアシックの設計では、非放射型ワイヤレス・エネルギー伝送には距離制限があり、受信機が小さいほど距離は短くなる。彼は、ノートパソコンほどの大きさの物体が数メートル以内で無線エネルギー伝送を受信できると計算した。"各部屋に送信機を設置すれば、家中のノートパソコンに電力を供給できる "というわけだ。
ソルヤチッチは、異なる材料を使用し技術を改善することで、効率を70%から80%に引き上げたいと考えている。改良された装置は、3年から5年以内にノートパソコンや携帯電話などをワイヤレスで充電できるようになると彼らは考えている。
ワイヤレス充電の仕組みは？
ワイヤレス充電技術を語るとき、まずはテスラコイルについて語らなければならない。ニコラ・テスラが1891年に発明したテスラコイルは、高校で物理を学んだ人なら知らない人はいないと思う。これが現在のすべてのワイヤレス充電技術の原型となっている。
俗っぽく言えば、原理は非常に単純で、中学校の物理の授業で習った「磁気共鳴技術の原理」である。もっと簡単に言えば、電気が磁気を発生させ、磁気が電気を発生させる！コイルで磁界を発生させ、それを受信コイルに通して磁界を電気に変換する。
テスラコイルは主に2つのコイルで構成され、一方のコイルは電流の方向が時間と共に周期的に変化する電源に接続されている。この電流の作用により、1つ目のコイルは空間に絶えず変化する磁場を発生させ、2つ目のコイルはこの磁場に誘導されて電流を発生させ、2つ目のコイル上の電球を点灯させる。この電球をバッテリーに置き換えると、ワイヤレス充電になる。原理は大まかに次のように理解できる：弦が振動すると、その振動波が周囲の物体に伝わり、周囲の物体も振動する。
具体的には、ワイヤレス充電システムは主に電磁誘導の原理を利用し、コイルを介したエネルギー結合によってエネルギー伝送を実現する。図に示すように、システムが作動しているとき、入力端はフルブリッジ整流回路を通してAC主電源をDC電源に変換するか、24V DC電源端を使ってシステムに直接電力を供給する。
パワーマネージメントモジュールから出力された直流電力は、2Mアクティブ水晶発振器インバーターによって高周波交流電力に変換され、1次巻線に供給される。そのエネルギーを2つのインダクターコイルで結合し、2次コイルが出力する電流を受電変換回路で直流電力に変換してバッテリーに充電する。
磁場が変化すれば電場も変化し、電場が変化すれば磁場も変化する。これら2つの場の大きさは、その変化率に関係している。正弦関数の変化率は別の正弦関数であるため、電磁波は伝播することができる。誘導電圧の発生は磁束の変化に関係するので、コイル内部の変化する磁界は誘導電圧を発生させ、それによって充電プロセスが完了する。
要約すると、携帯電話のワイヤレス充電の原理は、通常の変圧器の一次側と二次側を分離してワイヤレスの目的を達成することである。もちろん、ワイヤレス充電の動作周波数は比較的高く、コイル間で直接エネルギーを伝達するために鉄心さえ捨てることができる。
ワイヤレス充電の特徴
1) 理論的には、ワイヤレス充電技術は安全で人体に無害である。ワイヤレス充電に使用される共振原理は磁界共振であり、同じ周波数で共振するコイル間でのみ伝送され、他の機器は帯域を受信できない。また、ワイヤレス充電技術に使われる磁場自体は人体に無害である。しかし、ワイヤレス充電技術は結局のところ新しい充電技術であり、Wi-Fiや携帯電話のアンテナポールが登場したときのような問題が発生するのではないかと心配する人も多いが、実際には技術自体は無害である。
2) ワイヤレス充電技術は、充電器とデバイスの間の電界と磁界で電気エネルギーを伝送するために磁気共鳴を使用し、コイルとコンデンサは充電器とデバイスの間で共鳴を形成する。
3) このシステムは、電気自動車の充電エリアやコンピューター・チップの電力伝送など、生活や生産に広く利用できる。その頃には、この技術で開発された充電システムに必要な充電時間は、現在のもののわずか150分の1になっているだろう。
4) 変換率は常に多くの人々の懸念事項である。MITの研究によると、ワイヤレス充電技術の損失は有線充電技術よりも低い。ワイヤレス充電の変換率は、有線充電の変換率よりも数ポイント高い。高い変換率は、ワイヤレス充電器が世界的に応用されるための重要な要因でもある。しかし、ワイヤレス充電技術は距離による制限もある。今後の開発では、長距離伝送のための帯域と磁場範囲の正確な位置決めの問題を解決する必要が必至である。
5）コアチップは、製品にワイヤレス充電技術を適用する際の難関の一つである。精密な放射範囲制御、磁界周波数、その他の制御はすべてチップによって実現される。
ワイヤレス充電の種類
市場には多くの種類のワイヤレス充電器がある。では、ワイヤレス充電器にはどのような種類があるのでしょうか？見てみよう！
▼ ベース型ワイヤレス充電
現在、ワイヤレス充電の主流となっているのは、小型の円盤をベースにしたデザインだ。サムスン、ファーウェイ、シャオミ、あるいはサードパーティーブランドであろうと、基本的にこの外観でワイヤレス充電を採用している。
縦置きワイヤレス充電
縦置きスタンド型ワイヤレス充電器は、ワイヤレスドックと同様の充電デザインだが、より使いやすい。このワイヤレス充電器はどこにでも置くことができ、データケーブルに縛られることなく充電できる。携帯電話スタンドとしても使えるので、充電しながらWeChatでチャットしたり、ニュースを読んだりすることができる。
ワイヤレス充電ケース
取り外し可能なワイヤレス充電バッククリップケースは、ワイヤレス充電技術を搭載しています。このワイヤレス充電バッククリップケースは、従来のプラグインバッククリップケースのパワーバンクとは異なります。磁気誘導充電を採用し、携帯電話を吸着して充電することができます。
プラグの抜き差しやデータケーブルの取り出しを完全に避けることができ、充電しながら通話や写真撮影などができる。ワイヤレス充電バッククリップは、充電をよりフレキシブルにし、屋外でのワイヤレス充電をより便利にすると言える。
ワイヤレス充電パワーバンク
ワイヤレス充電パワーバンクは、ワイヤレス充電とパワーバンク技術を組み合わせたワイヤレス充電である。簡単に言えば、ワイヤレスで充電でき、データケーブルでも充電できるワイヤレス充電パワーバンクだ。
特別なワイヤレス充電USBポートは、QC3.0とHuawei FCP急速充電プロトコルをサポートし、携帯電話を素早く充電することができます。さらに、ワイヤレス充電設計と2つのデータラインインターフェイスにより、最大3台の携帯電話を同時に充電することができます。
車載ワイヤレス充電
車載ワイヤレス充電は、車載ブラケットとワイヤレス充電設計による充電モードである。主に車内での携帯電話のナビゲーションや充電に便利で、実用性も高い。
車載ワイヤレス充電は通常のワイヤレス充電と同じ。携帯電話をコンセントに差し込む必要はない。片手で出し入れでき、自動的に充電される。現在のところ、iPhone 8シリーズとiPhone Xにしか対応していないものが多い。
正しいワイヤレス充電器選びのヒント
- 充電プロトコルのバージョンを明確にする
現在、ワイヤレス充電には2つの主要な国際規格がある。一つはワイヤレスパワーコンソーシアム（WPC）のQI規格で、もう一つはAirFuelアライアンスである。これら2つの規格は、ワイヤレス充電製品の性能、技術パラメーター、互換性、安全性などについて統一した規制を設けており、厳しい認証基準を設けている。
Qiワイヤレス充電規格は非常に成熟した規格であり、2008年にはすでに実装されていた。現在市販されているアンドロイド携帯の多くは、この規格を採用している。
充電方式は配線を必要とせず、携帯電話機を充電パッドに置くだけで直接充電できる。
- 20W以上のパワーを選ぶようにする。
技術が成熟するにつれ、充電速度を追求する人が増えている。将来のためにも、ワイヤレス充電器を購入する際は、なるべく20W以上のものを選ぶことをお勧めする。
iPhone16のワイヤレス充電でサポートされる最大電力は15Wに過ぎないことは誰もが知っている。今後、ソフトウェアシステムのアップグレードに伴い、iPhone16のワイヤレス充電のサポートは徐々に増加し、より高いパワーを開放できるようになるのは時間の問題だ。
だから、いつでも使える高出力のワイヤレス充電器を買おう。
- ワイヤレス充電器の温度は制御可能でなければならない。
ワイヤレス充電中は一定の電力損失が発生する。この電力の一部は熱に変換され、携帯電話とワイヤレス充電器を暖かく保ちます。高品質のワイヤレス充電器は、40℃以下に温度をコントロールすることができます。また、温度が高すぎると自動的に電力を遮断する温度制御機能もある。
- 大手メーカーやプロブランドの製品を選ぶ
ワイヤレス充電器の原理は単純に見えるが、その性能は非常に特殊である。充電効率、充電速度、充電温度だけでなく、感知感度、安定性、安全性、耐久性、過電圧保護、異物検出などにも違いがある。価格が30元程度の製品も基本的なワイヤレス充電機能を備えているが、性能と品質ははるかに悪く、充電体験は大幅に低下し、耐用年数は比較的短く、携帯電話へのダメージは比較的大きく、安全上の危険性さえある。
- 適切な価格とは？
お金持ちは、アップルの公式サイトですでに販売されているMophieやBelkinのワイヤレス充電器を買いたがる。何も悪いことではない。金持ちは好きなことをすればいいのだ。
充電速度、外観、デザインなどの面では、実は30$程度のサードパーティブランドのQiワイヤレス充電器と大差ない。つまり、通常のワイヤレス充電器の価格は30$程度ということになる。もちろん、サイズや外観、革新性などに対する要求が高ければ、価格は高くなる。
ワイヤレス充電の未来
あらゆる技術の開発は、安全性、利便性、効率性の原則に基づいている。今後、ワイヤレス充電技術の改良と開発は、当然これらの側面を中心に行われるだろう。私の個人的な希望（理想）に基づけば、技術が成熟した後のワイヤレス充電の未来はこうなるはずだ：
1) セキュリティ
放射線や漏洩など、人々が心配するような要素はない。
2) 利便性
冒頭で述べたように、車内、オフィス、カフェ、レストラン、駅など、いたるところに充電スタンドがある。端末の電源が切れている限り、充電が必要な限り、いつでもどこでも充電設備があり、スマホの電源切れによる不安に耐える必要はない。
3) 効率性
効率的なので、複数の携帯電話や複数の自動車など、多くの機器を同時に充電することも当然できる。そうでなければ、1台ずつ充電するために行列に並ばなければならないとしたら、最大の利便性が失われてしまうだろう？
最も理想的なシナリオのひとつは、自宅にワイヤレス充電器を設置することで、パソコン、携帯電話、テレビ、電気自動車など、自宅にあるあらゆる電気機器にいつでもフルパワーを供給できるようにすることだ。素晴らしい生活だと思いませんか？
4) 速い
速いというのは実は効率の一種なのだ。この2つについて別々に説明しよう。
ワイヤレス充電がまだ実現していない最も重要な機能はスピードである。有線充電器ではバッテリーをフル充電するのに2時間かかるが、ワイヤレス充電器では4時間でフル充電できる。この充電スピードが、急速普及を阻む最大の致命的欠点であることは間違いない。
将来、ワイヤレス充電技術が成熟すれば、有線充電器ではフル充電に2時間かかる携帯電話が、1時間、いや30分あれば10分でフル充電できるようになる。どれだけ快適になることか。その頃には、すべての有線機器がワイヤレス機器に取って代わられるのは当然であり、間違いないだろう。
ワイヤレス充電は比較的新しい技術で、まだ開発段階にある。その技術は日に日に成熟している。科学技術の急速な発展により、ワイヤレスが有線充電に取って代わり、有線充電がこの世から消える日も近いと私は信じている。
