無線充電：指向方便與安全

周路菡

如今，越來越多的電子產品進入到普通人的工作生活中，為大家帶來了極大的便捷。但傳統的電力傳輸方式大多是通過導線或插座將電力傳輸到終端產品。隨著移動設備、無線數據傳輸、無線網絡技術的日益普及，人們對電動設備的充電方式多樣化和方便性提出更高的要求，并希望能擺脫傳統電力傳輸方式的束縛，解除紛亂電源線帶來的困擾。

目前，無線充電技術已經成功在手機、電腦、隨身聽等小功率設備的充電上進行了商業化應用。作為21世紀最值得期待的技術之一，無線充電產品成為人們關注的新焦點。

兼具方便與安全的無線充電技術

無線充電并不是一個新的概念，也不是一項新技術。早在1890年，尼古拉·特斯拉（NikolaTesla）做了無線輸電試驗，他曾經構想把地球作為內導體、地球電離層作為外導體，通過放大發射機以徑向電磁波振蕩模式，在地球與電離層之間建立大約8Hz的低頻共振，再利用環繞地球的表面電磁波來傳輸能量的方法。

隨著技術的發展，無線電力傳輸技術越來越趨于現實。1967年，美國空軍同雷神公司合作進行了世界上首次電力微波傳輸試驗。1979年，美國航空航天局NASA和美國能源部聯合提出太陽能計劃——建立“SPS太陽能衛星基準系統”。1994年，科學家利用微波成功地將5kW的電力送達42m處。2003年，歐盟在非洲的留尼汪島建造了一個10萬kW的實驗型微波輸電裝置，實現了以2.45GHz頻率向接近1km的格朗巴桑村（Grand-Bassin）進行點對點無線供電。

不過，先進的無線充電技術真正走進日常人的生活還要追溯到2007年3月。當時美國賓夕法尼亞州的Powercast公司開發出可為各種耗電量相對較低的電子產品充電或供電的無線充電技術，這種技術一經推出就技驚四座。隨后，利用該技術的無線充電產品迅速移植到手機、MP3、隨身聽、溫度傳感器、助聽器、汽車零部件，甚至體內植入式醫療裝置中。

據了解，這種通過磁場來進行電力傳輸的充電系統包含了兩件東西：一個是插在插座上的發射器，也就是通常我們說的充電器，另一個則是嵌入電子產品上的接收器。在發射器和接收器內各有一個線圈，發送端線圈連接有線電源后，電流通過線圈便會產生磁場，發出電磁信號，接收線圈感應到發送端的電磁信號后，就可以將其轉換成電流來為電池充電。

不過，處于起步階段的無線充電技術也不是盡善盡美。比如美國Palm公司早在4年前就已發售內置無線充電功能的Pre手機，但由于技術不成熟，不久之后Palm便從這個市場中消失了。另外一些采用無線充電技術的手機，在使用過程中并沒有擺脫充電器的束縛，必須將手機緊貼充電器，相較于有線充電，更不利于邊充電邊使用手機。

但無線充電器的出現畢竟向無線充電革命邁進了一大步。隨著全球智能手持設備市場競爭愈演愈烈，無線充電系統也成為眾多廠商爭奪的蛋糕，由此也不斷促進了該技術的發展。目前，除了電磁感應原理的充電系統，應用磁共振原理的充電系統也越來越成熟。就在2014年3月，據國外網站介紹，摩托羅拉Moto360智能手表將進入市場，其重要的亮點就是該款智能手表將配備無線電磁感應充電功能以及表面采用高端材料藍寶石玻璃制成。甚至有外媒報道，美國杜克大學普拉特工程學院的兩位學生發明了一種可以將手機WiFi信號轉化成電流的新技術，有望在未來徹底取代手機充電器。

應用領域逐漸擴大

在消費電子領域，由于使用頻繁，人們對電子產品的電池電量有很高的要求。所以目前在智能手機市場中，無線充電成為各大手機制造商志在必奪的蛋糕。據統計，在年初諾基亞 Lumia920、三星 GalaxyS 系列、谷歌 Ne×us4、HTC8X 等都已上市且具備無線充電功能的智能機，它們都可以通過感應無線充電器充電。另外在MP3、電動牙刷、電子遙控門鎖、夢幻彩燈、掌上電腦、筆記本電腦、吸塵器、電話、凈水器、冰箱、微波爐等領域也出現了應用。

實際上不僅是在消費電子領域，電池產品作為各種設備的動力來源，在醫療器械、航空航天、交通運輸、水下探測等領域無線充電技術也有著廣泛的應用前景，涉及軍事、工業、醫療、運輸、電力、航空航天、空間站、衛星、軍艦、航母、節能環保、便攜式通信設備等行業。

比如在醫療器械領域，無線充電技術發展改變了醫療植入式電子系統的供電方式，并促進了醫療電子行業的發展，如心臟起搏器的核電池充電，耳蝸植入裝置供電等，其充電方式采用ICPT和RFPT等進行體外能量傳輸，可以減少人體受感染的風險，同時又解決了電池壽命有限的問題。

另外，電動汽車無線充電技術也進入了許多國家的研究視野，美國、英國、日本等是最早開始電動汽車無線充電技術研究的國家。

日本長野無線公司于2009年8月宣布開發出了基于磁共振的充電系統，可以在600mm的傳輸距離內確保90%的傳送效率，但目前的傳送功率還比較小約1kW，擬定從叉車等使用范圍進入市場。

英國HaloIPT公司于2010年11月開發出一種新型無線充電系統，該感應式電能傳輸技術利用感應電荷的原理，將電源板埋藏于道路的瀝青之下，進行無線充電，同時由于電源板不暴露在外，既可以得到有效保護，減少磨損，又不會受到惡劣天氣的影響。

日本IHI株式會社于2011年11月采用美國WiTricity公司磁共振無線供電技術，研發出電動汽車無線充電系統。據了解，該系統包含了安裝在電動汽車上的無線電能接收裝置及安裝在地面的無線供電裝置，適用于各種電動汽車及充電電池，電動汽車在充電點停車時，將自動予以充電，而汽車與充電設備之間并無接觸。WiTricity公司表示，與電磁感應和微波等無線電能傳輸系統相比，該系統具有更高傳輸效率和更遠輸電距離，系統在20cm傳輸距離可實現無線充電輸出功率3.3kW，充電效率達90%以上。

2014年2月，豐田宣布他們將在日本開始測試其汽車無線充電技術，該技術在未來可為純電動車和插電式混動車進行充電，僅需90分鐘就可將電池充滿。這套技術的原理就是使用充電線圈制造的電磁場進行無線充電。豐田將充電線圈布置在地面停車位上，當汽車停放在車位上時，位于汽車底盤部位的充電接收器接收來自充電線圈發送的電力，從而開始進行充電。

2014年2月，日本奈良先端科學技術大學（NAIST）信息科學研究系教授岡田實的研究室與電力設備及工業機器人制造商大阪變壓器公司合作，開發出了可為移動中的設備及純電動汽車等無線充電的“使用平行雙線的無線電力傳輸方式”。據悉，與排列多個線圈作為供電器的傳統技術相比，新技術具有以下兩個優點：（1）供電器容易安裝；（2）供電效率不易受到供電器與受電器之間位置關系的影響。該技術設想的用途是為行駛中的純電動車等移動體充電。例如，在工廠的工業機器人通道或者車道旁的人行道上設置平行雙線，為裝有受電器的機器人、純電動車、電動巴士、自行車及行人的智能手機等充電。

最近，美國斯坦福大學一個研究小組正在設計開發一種高效充電系統，可使電動汽車在公路上一邊行駛一邊自動充電，該充電系統的工作原理是將一系列接通電流的線圈埋入高速路面下，在汽車底部裝上感應線圈，當汽車通過該高速路時就會引起共振，產生的磁場將電力持續不斷地傳輸給電池，這種無線傳輸方案的充電效率可達97%。

伴隨著技術成熟程度和傳送功率的提高，無線充電技術有望很快進入電動汽車充電領域。其中豐田已經在2012年確認將在2014款聆風上實裝該項技術，日產也是全球汽車制造商中第一個明確制定時間表的。2013年6月，博世（Bosch）開始以3000美元銷售Plugless Power無線充電裝置，這種充電器可以作為改裝部件安裝在日產聆風和雪佛蘭沃藍達汽車上，但目前該產品僅限于北美地區。此外，奔馳、奧迪和特斯拉也在進行無線充電技術的研究；雷諾汽車與高通公司合作，開發基于雷諾電動汽車的無線充電系統；而于2014年開賽的純電動版F1，也將采用無線充電技術。

無線充電標準之爭

與有線充電技術一樣，標準化也是阻礙無線充電技術發展的障礙之一。電磁感應和磁場共振兩種方式孰優孰劣還未產生定論，單就其中一種方式而言，不同的企業和研究組織也使用了不同的標準。目前消費電子產品主流的無線充電標準有三種：QI標準、A4WP 標準和PMA標準。

其中Power Matters Alliance（PMA）標準是由Duracell Powermat公司發起的，該公司則是由寶潔與無線充電技術公司Powermat合資經營，擁有比較出色的綜合實力。目前已經有AT&T、Google和星巴克三家公司加盟了PMA聯盟。據了解，PMA聯盟致力于為符合IEEE協會標準的手機和電子設備，打造無線供電標準，在無線充電領域中具有領導地位。

QI是全球首個推動無線充電技術的標準化組織——無線充電聯盟（Wireless Power Consortium，簡稱WPC）推出的“無線充電”標準，具備便捷性和通用性兩大特征。首先，不同品牌的產品，只要有一個QI的標識，都可以用QI無線充電器充電。其次，它攻克了無線充電“通用性”的技術瓶頸，為無線充電的大規模應用提供可能。

A4WP是Alliance for Wireless Power標準的簡稱，由美國高通公司、韓國三星公司以及前面提到的Powermat公司共同創建的無線充電聯盟創建。該聯盟還包括Ever Win Industries、Gill Industries、Peiker Acustic和SK Telecom等成員，目標是為包括便攜式電子產品和電動汽車等在內的電子產品無線充電設備設立技術標準和行業對話機制。該無線充電聯盟將重點引入“電磁諧振無線充電”技術，與QI的“電磁感應技術”有所區別，這兩種技術各有千秋。前者傳輸效率可能較低，但可以實現稍遠距離的無線充電。后者需要近距離接觸，例如將手機放在一個底座上，不用接線就可以通過感應充電，但這樣充電效率較高。

目前，QI已被WPC的126家行業領先成員支持并采用，這其中有30%是中國公司，包括海爾、華為和桑菲通信等。“自QI標準發布以來，僅僅過了24個月的時間，采用這一標準的創新產品激增了350%，速度之快令人震驚，同時也滿足了成員企業產品最優化和差別化需求。”WPC副主席鄧蘊美女士如是說。

而為了與QI進行抗衡，2014年2月，A4WP和PMA宣布兼容，這意味著無線充電標準將走向統一。據了解，PMA和A4WP在未來依然保持兩個品牌的方式，但二者簽署了使兩個領先的無線充電標準實現全球互通性的協議。該協議通過統一可實現互用性和簡化下一代無線充電的技術標準，確保在體現各自標準的優勢的同時兼容對方標準，起到補充和提升的作用。值得一提的是PMA將會匹配A4WP的磁共振充電規格，同時在單/多模式下發射和接收電力。而A4WP則是對獲得PMA的誘導龜蛋，在多模電感模式下實現磁共振。

這種相互兼容，意味著標準之爭的解決，距離用戶更近了一步。對于未來和QI標準的兼容性，AW4P的營銷總監Geoff-Gordon表示：“我們對于和其他組織的對話保持開放態度。”

但值得一提的是，智能手機市場的另外一家主導廠商蘋果，目前尚未加入上述任何三家陣營，蘋果向來實行“自我封閉的軟硬合一”。有消息稱蘋果會使用自家開發的無線充電技術，從而重演在手機“有線”充電器上與外界格格不入的一幕。

中國企業不甘落后

我國無線電能傳輸技術相關研究和應用正在起步。2005年，比亞迪申請了應用電磁感應技術的非接觸感應式充電器專利。另外，安利凈水器采用了富爾頓無線充電技術，廣東深圳高倚盛推出了GYS-1型無線充電器，江蘇常熟合眾環保能源技術研究所實現了對新能源汽車距離數十厘米的無線電能傳輸。中國香港城市大學研制出基于ICPT的手機、MP3等便攜式通信設備充電平臺，可將數個電子產品放在一個充電平臺上通過低頻電磁場充電。2010年CES展會上，海爾應用無線電力傳輸技術推出了一款無尾電視。

2013年11月19日，由硅展科技自主研發的iNPOFi智能無輻射充電技術在北京正式發布。據了解，iNPOFi智能無線充電技術能夠達到94.7%的電能轉化率，相比傳統無線充電技術提升了2倍到3倍之多，同時充電過程中的電磁輻射量也穩定在零。目前，硅展科技委托富士康代工的第一批iNPOFi智能無輻射充電產品已經面世，分別為蘋果和三星幾款暢銷手機定制，已在2014年初向消費者開放。就在2014年紐約CES展會（國際消費電子展）上，大連硅展科技有限公司研發的InPoFi無線充電技術制造的可折疊無線充電設備獲得了設計與工程最佳創新獎，這也是近5年惟一獲該獎的中國產品。

目前，無線充電產品已經成為消費電子產品領域的焦點。根據IHS預計，2014年無線電源傳送器和接收器的出貨量收入將成長264%，達到7.85億美元，而這一數字還將在2018年時達到85億美元。無線充電技術的創意的確為人類的生活帶來了便捷，不過，2014年3月，英國金融時報撰文指出，阻礙無線充電市場推廣的可能不是技術的缺點，而是標準之爭。目前行業內出現了幾個大的聯盟，其中蘋果未參與任何聯盟，而是自行提交了無線充電技術專利申請。而標準的多樣，使得后期無線充電設備的認證充滿了爭議，也直接影響到后期如何建立相對成熟的商業模式。從這一點上來講，形成一個國際通行的標準，使收發設備之間具備廣泛的兼容性乃是無線充電產品未來要突破的重點。