揭秘?zé)o線充電技術(shù)：如何擺脫線的束縛

無線充電，由供電設(shè)備（充電器）將能量傳送至用電的裝置，該裝置使用接收到的能量對電池充電，并同時(shí)供其本身運(yùn)作之用。由于充電器與用電裝置之間不用電線連接，因此充電器及用電的裝置都可以做到無導(dǎo)電接點(diǎn)外露，也徹底擺脫了因充電物理接口不一致帶來的煩惱。

無線充電也稱為無線電力傳輸（WPT），在一些消費(fèi)級可穿戴產(chǎn)品中可謂是風(fēng)靡一時(shí)，比如智能手機(jī)、智能手表和健康手環(huán)等，但是這個(gè)創(chuàng)意本身已經(jīng)存在一個(gè)多世紀(jì)的時(shí)間了。

無線充電技術(shù)的發(fā)展可以分為4個(gè)階段：

· 1890年，物理學(xué)家兼電氣工程師尼古拉·特斯拉就已經(jīng)做了無線輸電實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了交流發(fā)電

· 2007年，麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)完成了可以實(shí)現(xiàn)最遠(yuǎn)傳輸距離達(dá)到2.7m的實(shí)驗(yàn)

· 2014年，戴爾加入A4WP陣營，代表著筆記本電腦的無線充電時(shí)代來臨

· 2017年，iphone加入無線充電大家庭，手機(jī)端的無線時(shí)代正式來臨

2017年9月蘋果發(fā)布會(huì)上提出The future is wireless

我們通常認(rèn)為電和磁是相關(guān)聯(lián)的，所以在論及無線充電的原理問題上，大多還是基于電磁感應(yīng)現(xiàn)象或者由此而衍生出來的。目前，實(shí)現(xiàn)無線電力傳輸主要有以下四種方式：

電磁感應(yīng)方式

簡單地講，電磁感應(yīng)方式即利用電流通過線圈產(chǎn)生磁場從而實(shí)現(xiàn)近場無線供電。展開來說，電磁感應(yīng)充電的設(shè)備，類似于變壓器，在發(fā)送端（供電端）和接收端（受電端）各有一個(gè)線圈，發(fā)送端線圈連接有線電源產(chǎn)生磁場，接收端線圈感應(yīng)發(fā)送端的磁場從而產(chǎn)生電流給用電設(shè)備。

在所有的無線充電產(chǎn)品中，基于電磁感應(yīng)方式的最多，既有日用小家電比如電動(dòng)牙刷、電動(dòng)剃須刀、無繩電話，也包括智能終端如手機(jī)，PAD等?；陔姶鸥袘?yīng)方式的無線充電技術(shù)主要挑戰(zhàn)來自于充電設(shè)備擺放位置的苛刻要求、充電距離的局限性以及線圈感應(yīng)產(chǎn)生的熱。

磁共振方式

磁共振式也稱為諧振式，由能量發(fā)送裝置，和能量接收裝置組成，當(dāng)兩個(gè)裝置調(diào)整到相同頻率，或者說在一個(gè)特定的頻率上共振，它們就可以交換彼此的能量，其原理與聲音的共振原理相同，排列在磁場中的相同振動(dòng)頻率的線圈，可從一個(gè)向另一個(gè)供電。

相比于電磁感應(yīng)方式，其垂直距離得到了極大提高，而且也不需要嚴(yán)格對準(zhǔn)；這些優(yōu)勢激起了廣大公司的研發(fā)興趣，該技術(shù)被認(rèn)為是將來最有希望廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車無線充電的一種方式。目前，磁共振方式的無線充電面臨最大的挑戰(zhàn)就是產(chǎn)品的商業(yè)化。

電波方式

基于電波方式的無線充電技術(shù)，類似于早期使用的礦石收音機(jī)，主要有微波發(fā)射裝置和微波接收裝置組成，可以捕捉到從墻壁彈回的無線電波能量，在隨負(fù)載作出調(diào)整的同時(shí)保持穩(wěn)定的直流電壓。此種方式只需一個(gè)安裝在墻身插頭的發(fā)送器，以及可以安裝在任何低電壓產(chǎn)品的"蚊型"接收器。這種方式給無線充電帶來了極大的自由度與便捷性。

電場耦合方式

電場耦合又稱靜電耦合或電容耦合，是由于分布電容的存在而產(chǎn)生的一種耦合方式。耦合是指信號(hào)由第一級向第二級傳遞的過程，是一種交流耦合。電場耦合包括信號(hào)或能量在電路的不同結(jié)點(diǎn)之間通過電容進(jìn)行的傳遞。

電場耦合在能量方面的應(yīng)用，就是無線充電原理的本質(zhì)。在電場耦合的無線充電模式中，充電座和待充電電器不是通過高頻磁場來進(jìn)行磁場的感應(yīng)，而是直接通過兩者之間形成的電容中的高頻電場，這種充電方式具有成本低，對準(zhǔn)要求低的優(yōu)點(diǎn)。

電場耦合方式的構(gòu)造簡單，只要是在供電臺(tái)規(guī)定的充電區(qū)域內(nèi)，無論將產(chǎn)品放在什么位置都可供電，可實(shí)現(xiàn)"位置自由（Free Positioning）"的供電。另外，由于可將電極減薄，因此具有容易嵌入產(chǎn)品等其他方式所沒有的特點(diǎn)。

無線充電各種原理方案的比較

無線充電技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)

實(shí)際上，目前的無線充電技術(shù)還不算成熟，不僅技術(shù)發(fā)展緩慢，標(biāo)準(zhǔn)也尚未統(tǒng)一。目前主流的無線充電標(biāo)準(zhǔn)有三種：Power Matters Alliance（PMA）標(biāo)準(zhǔn)、Qi標(biāo)準(zhǔn)、Alliance for Wireless Power（A4WP）標(biāo)準(zhǔn)。不同標(biāo)準(zhǔn)的充電設(shè)備的不能互充。下面我們就針對這三種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行簡單介紹。

PMA標(biāo)準(zhǔn)

PMA標(biāo)準(zhǔn)，即Power Matters Alliance，是由Duracell Powermat公司發(fā)起的。PMA采用基于電磁感應(yīng)方式的無線充電技術(shù)，致力于為符合IEEE協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)的手機(jī)和電子設(shè)備，打造無線供電標(biāo)準(zhǔn)，在無線充電領(lǐng)域中具有領(lǐng)導(dǎo)地位。除此以外，Powermat還是Alliance for Wireless Power（A4WP）標(biāo)準(zhǔn)的支持成員之一。

目前已經(jīng)有AT&T、Google和星巴克三家公司加盟了PMA聯(lián)盟（Power Matters Alliance縮寫）。目前Duracell Powermat公司推出過一款WiCC充電卡采用的就是Power Matters Alliance標(biāo)準(zhǔn)。

Qi標(biāo)準(zhǔn)

Qi標(biāo)準(zhǔn)無線充電聯(lián)盟發(fā)起的，無線充電聯(lián)盟（Wireless Power Consortium, WPC）是全球首個(gè)推動(dòng)無線充電技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化組織。Qi采用了基于電磁感應(yīng)方式的無線充電技術(shù)。

Qi聯(lián)盟成員數(shù)量最多，包括TI、飛利浦、HTC、諾基亞、三星、索尼愛立信、百思買等知名企業(yè)都已是聯(lián)盟的成員。不同品牌的產(chǎn)品，只要有一個(gè)Qi的標(biāo)識(shí)，都可以用Qi無線充電器充電 —— 攻克了無線充電“通用性”的技術(shù)瓶頸，在不久的將來，手機(jī)、相機(jī)、電腦等產(chǎn)品都可以用Qi無線充電器充電，為無線充電的大規(guī)模應(yīng)用提供可能。

A4WP標(biāo)準(zhǔn)

A4WP標(biāo)準(zhǔn)，即Alliance for Wireless Power標(biāo)準(zhǔn)，由美國高通公司、韓國三星公司以及前面提到的Powermat公司共同創(chuàng)建的。A4WP聯(lián)盟還包括Ever Win Industries、Gill Industries、Peiker Acustic和SK Telecom等成員。

A4WP采用了基于磁共振方式的無線充電技術(shù)，目標(biāo)是為包括便攜式電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車等在內(nèi)的電子產(chǎn)品無線充電設(shè)備設(shè)立技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)對話機(jī)制。該無線充電聯(lián)盟將重點(diǎn)引入“電磁諧振無線充電”技術(shù)，與Qi的“電磁感應(yīng)技術(shù)”有所區(qū)別，這兩種技術(shù)各有千秋。

Alliance for Wireless Power（A4WP）和Power Matters Alliance（PMA）兩大無線充電技術(shù)聯(lián)盟現(xiàn)已合并。合并后的聯(lián)盟更名為AirFuel Alliance（AFA）。新名稱標(biāo)志著兩大集團(tuán)將努力攜手共進(jìn)，盡快將智能手機(jī)和平板電腦的無線充電解決方案標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一，共同與Wireless Power Consortium （WPC）的Qi無線充電標(biāo)準(zhǔn)相競爭。

各無線充電標(biāo)準(zhǔn)比較

無線充電市場不僅僅局限于手機(jī)

2012年諾基亞發(fā)布了第一個(gè)支持無線充電的手機(jī)Lumia810，從2015年開始，各消費(fèi)電子巨頭紛紛推出具有無線充電功能的產(chǎn)品：蘋果推出apple watch、三星推出gear watch、S6/S6edge、S7/S7edge等。崇尚自由無束縛是人類的天性，現(xiàn)階段人們已經(jīng)解決了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線化，供電的那根線也一直成為人們攻克的那個(gè)目標(biāo)，無線充電正好提供了一個(gè)契機(jī)。手機(jī)終端的無線充電其實(shí)只是行業(yè)前菜。

預(yù)計(jì)到2024年，支持無線充電的智能手機(jī)每年出貨量將超過12億臺(tái)。全球無線充電市場在2016年的市場規(guī)模約34億美元，預(yù)計(jì)到2022年會(huì)增長至140億美元，年均增長率達(dá)27%。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴和便攜式設(shè)備的發(fā)展，消費(fèi)者開始厭倦雜亂的電纜和需要頻繁充電的電池。人們對無線世界的向往，將會(huì)導(dǎo)致無線充電市場出現(xiàn)急劇增長。除運(yùn)用于手機(jī)之外，無線充電技術(shù)還將用于智能手表、平板電腦等諸多消費(fèi)電子終端產(chǎn)品，市場空間均可達(dá)數(shù)十億元規(guī)模，潛力巨大。

無線充電在某些特定的地點(diǎn)也可以充分發(fā)揮了它的優(yōu)勢，比如物流行業(yè)。現(xiàn)階段阿里菜鳥、京東物流甚至美團(tuán)都已經(jīng)宣布了他的無人化戰(zhàn)略，推廣自動(dòng)物流、自動(dòng)配送。無線通信已經(jīng)可以完成對數(shù)據(jù)的無人化采集，但是供電這塊還是一個(gè)痛點(diǎn)，如果在倉庫里面我們還要通過人力或者其他方式給機(jī)器人進(jìn)行排隊(duì)充電，這個(gè)是非常不方便的。

那如果帶上無線充電，在固定行徑的路線或者固定停留的站點(diǎn)，使用無線充電，將充電和供電結(jié)合在一起，將人力徹底解放出來，進(jìn)行機(jī)器自我管理，將極大方便倉儲(chǔ)成本，降低倉儲(chǔ)費(fèi)用。

除消費(fèi)電子之外，新能源汽車是無線充電應(yīng)用的另一廣闊市場。無線充電安全性高、受天氣影響小、節(jié)省道路空間，因此和充電樁相比更適宜運(yùn)用于電動(dòng)汽車；同時(shí)充電站、充電樁等設(shè)備的建設(shè)速度也難以跟上電動(dòng)汽車增長速度，成為制約電動(dòng)汽車發(fā)展瓶頸，因此無線充電將對電動(dòng)汽車推廣起到重要促進(jìn)作用。

無線充電的技術(shù)瓶頸

無線充電技術(shù)在全球范圍內(nèi)尚未能形成一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)，不同運(yùn)營商的終端供電參數(shù)不同，造成無線充電技術(shù)只能在局部地區(qū)、部分產(chǎn)品中應(yīng)用。不同無線充電標(biāo)準(zhǔn)帶來的不兼容性，是其發(fā)展的一個(gè)主要障礙。各標(biāo)準(zhǔn)成員經(jīng)過多年的混戰(zhàn)，目前也趨向融合。

PMA聯(lián)盟的發(fā)起者Powermatt也是A4W聯(lián)盟P的發(fā)起者之一；A4WP聯(lián)盟發(fā)起成員高通、三星已經(jīng)加入與之對立的Qi無線電源聯(lián)盟；TI同時(shí)使Qi與A4WP聯(lián)盟的成員 —— 相信不久的未來，充電標(biāo)準(zhǔn)走向統(tǒng)一是必然的趨勢。

既然無線充電技術(shù)早已有之，除了缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)外，為什么直到今天還沒有廣泛應(yīng)用到日常生活中？因?yàn)樵诋?dāng)前科學(xué)技術(shù)條件下，還有許多難題需要解決。

1.充電距離短：無線充電的發(fā)送裝置和接收裝置相隔不能太遠(yuǎn)，在1～2米的距離內(nèi)還能起到較為滿意的效果，但一旦距離拉長，能量的衰減將十分嚴(yán)重。

2.電能轉(zhuǎn)換功率低：無線充電能量的損耗較大，傳輸效率不高，極易造成電能的浪費(fèi)。無線充電器的轉(zhuǎn)化率目前最高只能達(dá)到85%，而且隨著距離的增大，損耗將更大。

3.易遭干擾：傳輸電能的無線電波易遭干擾，電磁共振技術(shù)也容易出現(xiàn)干擾和互擾，不僅寄生電容和外部磁場，甚至連接受設(shè)備都能干擾到充電磁場，從而影響充電效率。

4.有輻射：雖然有關(guān)專家認(rèn)為電磁輻射對健康不構(gòu)成威脅，但是電磁波對人體的影響很復(fù)雜，需要長期的數(shù)據(jù)積累，這個(gè)過程就好比人們花了幾十年時(shí)間才確認(rèn)二手煙會(huì)致癌一樣。

此外，無線充電由于技術(shù)含量高，經(jīng)濟(jì)成本投入較大，造價(jià)遠(yuǎn)高于目前廣泛使用的有線充電和萬能充電器，所以，無線充電技術(shù)要想“飛入尋常百姓家”還需要很長的路要走。