無(wú)線充電技術(shù)的現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展前景

現(xiàn)在市面上的無(wú)線充電系統(tǒng)即可滿足這些需求，只需將移動(dòng)設(shè)備放置在充電板上即可完成充電，無(wú)需最終會(huì)出現(xiàn)磨損的微型連接器，無(wú)需在暗處摸索著插入充電器，無(wú)需幫助孩子插入玩具。是的，這是一類(lèi)全封閉、完全防水的裝置，將手機(jī)放在餐廳的充電臺(tái)上、離開(kāi)時(shí)即可充滿電，是如此之方便。

隨著蘋(píng)果Appple watch開(kāi)始支持無(wú)線充電，無(wú)線充電技術(shù)終于拉開(kāi)了產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程，越來(lái)越多的設(shè)備加入無(wú)線充電功能，由于移動(dòng)設(shè)備具備always-on GPS、高性能無(wú)線視頻/音頻技術(shù)、日益突出的應(yīng)用及連續(xù)使用等功能，因此盡管改進(jìn)了電池技術(shù)，其電池壽命仍然較短，從而有了要求更方便的移動(dòng)充電配件的需求。

現(xiàn)在市面上的無(wú)線充電系統(tǒng)即可滿足這些需求，只需將移動(dòng)設(shè)備放置在充電板上即可完成充電，無(wú)需最終會(huì)出現(xiàn)磨損的微型連接器，無(wú)需在暗處摸索著插入充電器，無(wú)需幫助孩子插入玩具。是的，這是一類(lèi)全封閉、完全防水的裝置，將手機(jī)放在餐廳的充電臺(tái)上、離開(kāi)時(shí)即可充滿電，是如此之方便。

事實(shí)上，據(jù) IHS 研究報(bào)告顯示，在 2012 年至少交付了 500 萬(wàn)的無(wú)線充電設(shè)備，預(yù)計(jì)到 2015 年將會(huì)有一億的交付量。當(dāng)然這不僅僅是指智能手機(jī)，還包括 MP3 播放器、數(shù)碼相機(jī)和其他移動(dòng)電子設(shè)備。

發(fā)展史

無(wú)線電源的概念由來(lái)已久。致力于電力研究的發(fā)明家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）于 1891 年演示了洲際無(wú)線電力傳輸，進(jìn)而確定了我們大部分的現(xiàn)代生活方式，這一試驗(yàn)令人震驚但又有些時(shí)運(yùn)不濟(jì)。特斯拉曾嘗試證實(shí)邁克爾·法拉第（Michael Faraday）在 1831 年發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)原理：借由流經(jīng)一根電線的電流使得附近的另外一根電線中產(chǎn)生電流。

特斯拉的觀念非常超前，時(shí)至今日人們還在研究長(zhǎng)距離無(wú)線電力傳輸，但仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)。然而短距離無(wú)線電力傳輸（或稱(chēng)為無(wú)線充電設(shè)備、系統(tǒng)或技術(shù)）卻能得以實(shí)現(xiàn)。自 1990 年至今，最常見(jiàn)的家用無(wú)線充電系統(tǒng)包括可再充電電動(dòng)牙刷和剃須刀。還有不太常見(jiàn)的生物醫(yī)學(xué)植入片，該裝置利用磁感應(yīng)技術(shù)將電力安全地傳輸?shù)綈毫佣舾械呐R近環(huán)境如人體內(nèi)。

Qi 無(wú)線充電技術(shù)

Qi（發(fā)音為“Chee”）無(wú)線充電技術(shù)為當(dāng)今領(lǐng)先的充電技術(shù)，致力于為無(wú)線充電板與任何配備相應(yīng)產(chǎn)品的移動(dòng)設(shè)備間的互操作建立國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，半導(dǎo)體供應(yīng)商、手機(jī)制造商和無(wú)線服務(wù)提供商于 2008 年組建了一個(gè)由近 200 家公司組成的無(wú)線充電聯(lián)盟（WPC），并于 2009 年發(fā)布了 Qi 開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)。自此之后，已提供了超過(guò) 350 種兼容 Qi的設(shè)備。Qi 無(wú)線充電板都有現(xiàn)貨供應(yīng)，也可從亞馬遜或易趣等網(wǎng)上商城在線購(gòu)買(mǎi)。同時(shí)提供了后市場(chǎng)接收器套來(lái)支持移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行 Qi 無(wú)線充電，包括Samsung Galaxy S3 和 S4。此外，制造商也開(kāi)始將 Qi 技術(shù)直接集成在一些設(shè)備中，如 Nokia Lumia 920、Google Nexus 4、LG Optimus LTE2 以及 Panasonic Eluga 手機(jī)。事實(shí)上，WPC 早在2012 年 9 月就宣布，已交付了 850萬(wàn)集成Qi 技術(shù)的手機(jī)。

現(xiàn)在我們從 Qi無(wú)線充電系統(tǒng)的價(jià)格方面進(jìn)行考量。Qi 單座定位充電板（對(duì)位于特定位置的一款移動(dòng)設(shè)備充電）可能需要花費(fèi) 30 到 50 美元。Qi 單座自由定位充電板（移動(dòng)設(shè)備無(wú)需鎖定在某個(gè)特定位置）價(jià)格稍高些。而 Qi 三座自由定位充電板價(jià)格大約為 75 美元。而 Qi 充電套價(jià)格低至 5 美元。這些價(jià)格相對(duì)于 Qi 支持的電子設(shè)備而言還是可承受的。

無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)之推動(dòng)因素

對(duì)于客戶而言，無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)的主要優(yōu)勢(shì)是互操作性。用戶只需購(gòu)買(mǎi)一臺(tái)無(wú)線充電板，即可為各種家用移動(dòng)設(shè)備充電。用戶在當(dāng)?shù)氐目Х瑞^享受著免費(fèi) Wi-Fi 的同時(shí)，還可以利用無(wú)線充電（一項(xiàng)新興服務(wù)），而不用擔(dān)心設(shè)備是否存在兼容性問(wèn)題。標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)的商業(yè)擁護(hù)者認(rèn)為，這將消除用戶對(duì)無(wú)線充電技術(shù)的疑慮并促進(jìn)其被廣泛采納。

標(biāo)準(zhǔn)與專(zhuān)用協(xié)議之爭(zhēng)

Qi 技術(shù)基于充電器（發(fā)射器）線圈和移動(dòng)設(shè)備（接收器）線圈間的電磁感應(yīng)原理，這就必然存在一些要求和約束，即，1) 每個(gè)接收器必須有一個(gè)對(duì)應(yīng)的發(fā)射器，2) 為了能正常工作并最大化電力傳輸，兩個(gè)線圈間允許的最大距離僅為 4 cm（1.6 英寸），3) 接收器必須位于相對(duì)于發(fā)射器的特定位置，雖然 Qi 通過(guò)利用 3 到 8 個(gè)發(fā)射器線圈能夠支持自由定位充電板上的設(shè)備。Qi 標(biāo)準(zhǔn)的這些限制促進(jìn)了新標(biāo)準(zhǔn)形式的出現(xiàn)，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都推出了新的方法，看似解決了某些關(guān)鍵問(wèn)題。

目前有三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組織，在角逐采用電磁耦合的無(wú)線充電領(lǐng)域的主宰地位。除了現(xiàn)有的 WPC，還有2012 年 3 月成立的電力事業(yè)聯(lián)盟（PMA）和 2012 年 5 月成立的無(wú)線電力聯(lián)盟（A4WP）。PMA的 Power 2.0 技術(shù)采用電磁感應(yīng)原理，工作方式與 Qi 非常類(lèi)似，主要優(yōu)勢(shì)在于其軟件允許星巴克和麥當(dāng)勞等熱點(diǎn)供應(yīng)商監(jiān)視并控制充電站的使用情況。A4WP 的 A4WP v1.0 標(biāo)準(zhǔn)采用 Qualcomm 開(kāi)發(fā)的 WiPower 技術(shù)。WiPower 利用了不同于電磁感應(yīng)的磁共振原理，其工作頻率高于 Qi 和 Power 2.0。

磁共振說(shuō)明了兩個(gè)以同一頻率工作而產(chǎn)生共振的線圈間的電量傳輸情況。當(dāng)發(fā)射器和接收器端以同一頻率振動(dòng)時(shí)，接收器會(huì)從發(fā)射器產(chǎn)生的電磁場(chǎng)獲得能量，并將其轉(zhuǎn)換為電流來(lái)為移動(dòng)設(shè)備供電或充電。磁共振充電的優(yōu)勢(shì)為：1) 即使在穿越障礙物或物體表面時(shí)，充電范圍也可達(dá)數(shù)英寸或更遠(yuǎn)，2) 可同時(shí)對(duì)充電板上的多臺(tái)設(shè)備充電，3) 充電板上接收設(shè)備的定向和定位功能非常靈活。A4WP 的擁護(hù)者將這些優(yōu)勢(shì)稱(chēng)為“自由空間”( spatial freedom)。

有些公司是專(zhuān)用協(xié)議（有時(shí)是標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議之補(bǔ)充）的擁護(hù)者，或可能擁有許可權(quán)。Intel、Apple 以及WiTricity（由 Toyota、Mitsubishi 以及 Delphi 自動(dòng)化行業(yè)巨頭提供支持）即為其擁護(hù)者，每家公司都擁有雄厚的實(shí)力，并具有一定的市場(chǎng)影響力。表 1 進(jìn)一步闡述了這三個(gè)采用電磁耦合的主要無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)間的差異。

表 1: 無(wú)線充電技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)標(biāo)準(zhǔn)之比較

最新發(fā)展：標(biāo)準(zhǔn)整合與混合模式解決方案

近期無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)的整合性嘗試，成為了大家密切關(guān)注的焦點(diǎn)。2012 年成立的 A4WP 的創(chuàng)始成員Qualcomm，出人意料的加入了 WPC（2013 年 9 月 2日）和 PMA（2013 年 10 月 1 日）陣營(yíng)，正式開(kāi)啟了這一整合嘗試。Qualcomm 此舉是為了鼓勵(lì) WPC 和 PMA 利用 A4WP 在磁共振技術(shù)領(lǐng)域的成果。在 PMA，Qualcomm 欲與 WiTricity（其專(zhuān)有技術(shù)基于磁共振）共同創(chuàng)立一個(gè)工作小組，來(lái)定義“雙模式”規(guī)范以密切支持磁感應(yīng)和磁共振技術(shù)。WPC 已在著手研究其獨(dú)有的磁共振形式，以便支持遠(yuǎn)距離發(fā)射器和接收器，也會(huì)樂(lè)于采納這個(gè)專(zhuān)家級(jí)的意見(jiàn)。

芯片供應(yīng)商熱衷于混合模式解決方案的理念。Integrated Device Technology (IDT) 提供了IDTP9030無(wú)線電源發(fā)射器 IC和 IDTP9020無(wú)線電源接收器，這兩款器件均能夠進(jìn)行“多模式”操作，支持 Qi 標(biāo)準(zhǔn)和專(zhuān)用格式，以增加功能、改進(jìn)安全性并提高功率輸出能力（高達(dá) 7.5W）。動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換可實(shí)現(xiàn) Qi和專(zhuān)用模式之間進(jìn)行的無(wú)縫轉(zhuǎn)換。

Qi 規(guī)范擴(kuò)展

目前僅發(fā)布了 Qi 低功率規(guī)范，該規(guī)范能夠最高提供 5W 的能量支持移動(dòng)手機(jī)和其他小型設(shè)備。WPC 正致力于公布 Qi 中等功率規(guī)范，以提供最高 120W 的能量來(lái)支持平板電腦、筆記本電腦和便攜式鉆機(jī)等大型設(shè)備。

提升效率

通常來(lái)說(shuō)，基于電磁耦合原理的無(wú)線充電技術(shù)急需解決較為廣泛的基礎(chǔ)性問(wèn)題，即，由于傳輸電力時(shí)發(fā)射器與接收器間的氣隙造成的損耗，固有功率會(huì)低于通過(guò)插入墻上插座或 USB 獲得的能量。此類(lèi)系統(tǒng)的效率通常約為70%。通過(guò)精心設(shè)計(jì)、更好的屏蔽和高質(zhì)量驅(qū)動(dòng)元件以及利用超薄線圈來(lái)降低傳輸損耗的新技術(shù)，有可能將效率提升至 80% 到 85%。

相對(duì)于有線電力而言，低功率移動(dòng)配件充電應(yīng)用更易接受此功率較小的無(wú)線電力。但損失的功耗以熱的形式釋放，為高功率應(yīng)用帶來(lái)了安全性問(wèn)題。功耗同時(shí)也意味著能量的損失，對(duì)于環(huán)保人士或我們的成本而言是一種浪費(fèi)。因此，目前來(lái)說(shuō)為大型電子設(shè)備（如電視機(jī)、冰箱等）進(jìn)行無(wú)線供電是不太現(xiàn)實(shí)的。

對(duì)于電動(dòng)車(chē)輛（EV）充電市場(chǎng)，能量損耗即意味著延長(zhǎng)充電時(shí)間。無(wú)線充電要贏得電動(dòng)車(chē)輛市場(chǎng)，其電池充電時(shí)間就必須低于充滿油箱所用的時(shí)間。HEVO（Hybrid & Electric Vehicle Optimization）已構(gòu)思通過(guò)提供內(nèi)置在停車(chē)位的磁共振充電站避免此類(lèi)問(wèn)題，其愿景是對(duì) EV 充電就如停車(chē)一樣簡(jiǎn)單。駕駛員只需選擇配備了 unobtrusive HEVO 技術(shù)的停車(chē)位（類(lèi)似于井蓋）并停車(chē)。HEVO 的免費(fèi)應(yīng)用將指導(dǎo)如何正確充電并處理移動(dòng)付費(fèi)問(wèn)題。而汽車(chē)需配備一個(gè)接收器，因 HEVO 并未提供此裝置。HEVO 計(jì)劃于2014 年在紐約率先進(jìn)行部署。RnRMarketResearch預(yù)測(cè)今天擁有 170 萬(wàn)美元的EV/無(wú)線汽車(chē)充電市場(chǎng)，在 2019 年的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 46 億美元。

近場(chǎng)通信（NFC）

NFC 已在無(wú)線電力領(lǐng)域占有了一席之地。例如，在 2013 年消費(fèi)電子展 (CES) 上，恩智浦半導(dǎo)體演示了在一個(gè)充電板上支持兩種充電標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線充電技術(shù)，同時(shí)還展示了 NFC 可用于觸發(fā)充電板并告知支持標(biāo)準(zhǔn)的功能。

當(dāng)前市場(chǎng)還在著力于將無(wú)線電力傳輸技術(shù)與 NFC 相結(jié)合來(lái)為小型設(shè)備供電，其愿景是當(dāng) NFC 設(shè)備放置在支持的筆記本電腦上時(shí)將能夠接收電量。因此，仍需要技術(shù)開(kāi)發(fā)工作，包括優(yōu)化當(dāng)前 NFC 天線設(shè)計(jì)，以提高無(wú)線電力傳輸。還需修改 NFC 標(biāo)準(zhǔn)以支持無(wú)線電力。

發(fā)展前景

無(wú)線充電技術(shù)并不單單是業(yè)績(jī)導(dǎo)向型行業(yè)，因此我們很難預(yù)測(cè)到其發(fā)展前景。市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)和經(jīng)濟(jì)（知識(shí)產(chǎn)權(quán)和許可）動(dòng)因也同時(shí)駕馭著其發(fā)展方向。此外，很多涉足這一領(lǐng)域的公司都是行業(yè)巨頭，也能隨時(shí)轉(zhuǎn)變其發(fā)展方向。

還有其他從電磁技術(shù)中分離出來(lái)的無(wú)線電力技術(shù)有待開(kāi)發(fā)，如超聲波或光伏等。

眾所周知，無(wú)線電力的便利性成為人人趨之若鶩的關(guān)鍵所在，我們正致力于努力尋找更新、更好、更小、更快且更具成本效益的無(wú)線電力解決方案。