深圳地鐵6號線支線車廂內(nèi)的手機無線充電設(shè)施。
充滿一部智能手機需要多長時間？
幾年前這個數(shù)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(jīng)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(shù)的手機產(chǎn)品，宣稱其充電功率已經(jīng)達到300瓦，5分鐘內(nèi)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(shù)的飛速發(fā)展發(fā)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?lián)Q代，手機能夠?qū)崿F(xiàn)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(xù)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(shù)小時乃至一整夜才能“滿血復(fù)活”的電池，已經(jīng)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(shù)應(yīng)運而生，并迅速得到用戶青睞。
北京理工大學(xué)網(wǎng)絡(luò)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(shù)近年來不斷迭代，但其基本原理其實很簡單。“充電功率就是電壓與電流的乘積，要實現(xiàn)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。”他表示。
在智能手機最初出現(xiàn)時，充電功率大多為5瓦，即5伏（電壓）乘以1安（電流）。當(dāng)快充技術(shù)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(yīng)增加到7.5瓦和10瓦。但電流的繼續(xù)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(jīng)無法承載更高的電流，快充技術(shù)的發(fā)展路線也在此出現(xiàn)了分化。
部分廠家選擇繼續(xù)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(zhuǎn)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(shù)的要求較高；而高電壓、低電流方案的問題則是效率較低，導(dǎo)致電池發(fā)熱量較大。
但在不久后，隨著手機的充電接口以MicroUSB為主逐漸轉(zhuǎn)向以USBType-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(fā)，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(shù)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(yīng)原理同樣很簡單。無線充電器中的充電底座負責(zé)把電流轉(zhuǎn)換為不斷變化的磁場，而手機背部隱藏著線圈，當(dāng)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(chǎn)生的感應(yīng)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(fā)熱等。
圍繞這些問題，各廠家進行了技術(shù)和設(shè)備創(chuàng)新，如推出了風(fēng)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(zhǔn)。此外，工信部于2021年發(fā)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(guī)范。
“軟硬兼施”迭代充電技術(shù)
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(xié)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(shù)的發(fā)展。”閆懷志介紹道。
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(nèi)部”來看，其技術(shù)也在不斷進步。如疊層式電極設(shè)計、電池材料改進、電解液性能提升、應(yīng)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(shù)迭代的作用。
除了不斷提升的充電功率，充電技術(shù)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(zhì)量在不斷變輕。這很大程度上得益于一種新型半導(dǎo)體材料氮化鎵（GaN）的廣泛應(yīng)用。
閆懷志向記者介紹道，氮化鎵是一種新型的、寬禁帶半導(dǎo)體材料，屬于第三代半導(dǎo)體材料。相比傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體，其擊穿能力更出色，電子密度、電子遷移率以及熱導(dǎo)率更高。當(dāng)電流流過晶體管時，開關(guān)損耗主要發(fā)生在開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)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(guān)和傳導(dǎo)過程中出現(xiàn)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(fā)同樣顯著推動了快充技術(shù)的發(fā)展。通常，不同的快充算法體現(xiàn)為不同的快充協(xié)議。
“通俗來說，充電協(xié)議是充電器與用電設(shè)備（如智能手機）之間的通信規(guī)則，二者必須同時支持某種協(xié)議才能夠啟動快充。”閆懷志用了一個形象的比喻來解釋，快充協(xié)議就像是充電器與用電設(shè)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(shè)備產(chǎn)品多采用自家研發(fā)的私有快充協(xié)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(shè)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(shù)發(fā)展的方向，閆懷志認為：“無論未來充電技術(shù)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(fā)展方向。“一是讓充電器提供更高的電壓；二是提升電池自身的性能，例如研發(fā)石墨烯電池、改進電荷泵技術(shù)、采用多C電芯或單芯多極耳技術(shù)等；三是改進數(shù)據(jù)線及接口，例如優(yōu)化針腳、線纜設(shè)計等。”他說。
而對于無線充電技術(shù)發(fā)展，閆懷志表示，制約無線充電技術(shù)應(yīng)用的效率和散熱等問題正在被不斷解決，無線充電技術(shù)將向著低成本、遠距離、高效率的方向快速發(fā)展。當(dāng)前，感應(yīng)式、諧振式、超聲及紅外線充電等技術(shù)的應(yīng)用，為各種近場、遠場的充電無線技術(shù)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(guān)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(yán)重影響電池壽命，而且存在火災(zāi)安全隱患。除此之外，盡量選用符合廠商設(shè)定的充電協(xié)議的原裝充電器。”（實習(xí)記者都芃）
(責(zé)任編輯：張云文)
