無線充電技術的發展和應用

李冰冰

（山東省科學技術協會學會服務中心，山東 濟南 250001）

隨著科技技術的高速發展和電子設備的廣泛應用，我們的工作和生活越來越多的依賴于電子設備，我們習慣了數據線充電，也常常因為線不夠長而感到煩惱。可曾設想，有朝一日所有電子設備無需電源線，可以使用無線充電技術，隨時隨地，自由充電。

無線充電技術，又稱為感應充電、非接觸式充電，是源于無線電力輸送技術產生的一種新型充電技術。無線充電技術利用近場感應，由無線充電器將能量傳送至需充電設備，該設備使用接受到的能量對電池進行充電，且為設備本身的運作提供能量。由于無線充電器與充電設備之間通過電感耦合來傳送能量，因此無需電線連接，可以做到無導電接點外露。無線充電分為電場耦合與磁場耦合兩類。分別對應的能量傳輸器件為電容和電感。

電場耦合方式的無線充電技術，發射器與接收器分別安裝兩個(或兩組)獨立的電容極板，當發射器與接收器靠近時，兩組電容極板形成了兩個電容。電容中通以高頻、高壓交變電流，便可實現電能從發射側到接收側的傳輸。充電器或“發送器”和便攜式設備或“接收器”用來有效地在組成電容的合適尺寸金屬表面間實現縱向的準靜電耦合。其中驅動電極或主動電極要比另外一個電極小，上面施加的電壓較高，另外一個電極則是被動電極，尺寸較長，上面的電壓較低。當然正常情況下，電容傳輸的能量是很小的，這與電極面積小有很大的關系。因此，為了滿足給消費設備充電所需的功率水平(例如從5W 至25W)，需要增加電極尺寸和耦合的電壓值，具體取決于實際的配置。

為了實現耦合電極之間的無線收發、同時盡量減小對外的輻射量，需要進行正確地設計。因此需要進一步理解和確定正確的電極尺寸、它們的設計、工作電壓、功率 值、最佳工作頻率和總的尺寸約束條件。一般情況下，理想的頻率范圍在200kHz 至1MHz 之間，有效耦合區的電壓值在800V 至1.52kV 之間。

手機無線充電、電動汽車無線充電技術更多的采用磁場耦合原理設計，其能量傳輸媒介為電感。在發射器與接收器上分別安裝一個平面線圈電感。

磁場耦合原理的無線充電技術，更接近于常規的諧振式開關電源。相對于電場耦合來講，技術難度較小，優勢比較明顯，發展速度較快。目前已經形成三個影響力較大的聯盟組織WPC，A4WP 以及PMA，各自擁有會員多達幾十甚至上百家公司。其中，WPC 與PMA 致力于近距離無線充電技術，如我們比較熟悉的手機無線充電。而A4WP 的技術定位在遠距離無線能量傳輸，希望能夠實現幾十厘米甚至幾米等級的傳輸距離。

無線充電代表了充電技術上的一次重大變革。無線充電使用戶擺脫線纜的束縛，只需要把設備放在無線充電板(charging pad)上面就可以進行充電。無線充電技術已經廣泛應用到了電動牙刷、電動剃須刀、無線電話、智能手機、電動汽車等領域。

比亞迪早在2005 年12 月就申請了非接觸感應式充電器專利，利用的就是電磁感應來進行無線充電。比亞迪賣給猶他大學一輛純電動巴士，這款巴士裝配著最新的wave 無線充電墊。司機將巴士停在充電墊上，經歷數分鐘的等待就能充滿電。德國、日本等國也十分積極。在德國慕尼黑，早就開始進行家用無線充電的測試。日本豐橋技術科學大學在研究能夠透過20 厘米厚的混凝土磚塊將電力傳輸給汽車的道路充電裝置。2011 年，搭載了無線充電功能的諾基亞手機問世。

世界最大的家具制造商宜家宣布，將生產銷售支持無線充電功能的家具，第一批可以給支持無線充電的智能手機或其他移動設備充電的家具預計也在2015 年即將上市。三星手機2015 年3 月份公布的熱門機型Galaxy S6 支持無線充電。

無線充電技術近年發展迅速，但也遇到了很多技術難題，如提高充電效率、降低成本、有效充電距離太短。除了技術問題，眼下最棘手的是不同生產商的標準不一致，這就必須統一規范標準。否則，各廠商的設備無法兼容，會造成無線充電設備的浪費。目前主流的無線充電標準有三種：PMA 標準、Qi 標準、A4WP 標準。

PMA 標準全稱Power Matters Alliance 是由Duracell Powermat 公司發起的，而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。除此以外，Powermat 還是Alliance for Wireless Power(A4WP)標準的支持成員之一。

目前已經有AT&T、Google 和星巴克三家公司加盟了PMA 聯盟(Power Matters Alliance 縮寫)。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。PMA 偏向咖啡桌、家具等充電設備。其成員星巴克正在美國舊金山附近的200 家店面、1500 個點嘗試提供無線充電服務。

Qi 標準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。市場上支持無線充電的智能手機和充電器大部分都符合“Qi”標準。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。它攻克了無線充電“通用性”的技術瓶頸，在不久的將來，手機、相機、電腦等產品都可以用Qi 無線充電器充電，為無線充電的大規模應用提供可能。Qi 采用了目前最為主流的電磁感應技術。203 個WPC 成員都支持Qi 標準，Qi 有超過5000 萬個安裝基地，認證過684 個產品。Qi 的無線充電方案已經安裝在包括三星、諾基亞、谷歌、中興品牌在內的超過72 款移動設備里。作為唯一提供汽車無線充電的標準，Qi 還支持了15 款已上市車型。在一些公共場所出現。阿姆斯特丹的德勤辦公大樓里，每個工作區的桌子上都安裝了Qi。1 月7 日，麥當勞剛剛宣布要在英國50 個門店中，增加采用Qi 標準的600 個無線充電熱點。

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。

A4WP 標準組成聯盟希望讓無線充電迅速普及，讓用戶在任何地方都可進行無線充電。或者說，A4WP 想要讓無線充電便宜一些，并且在不增加手機、平板或者筆記本電腦體積的情況下增加充電接口，這意味著將有越來越多的制造商默認選擇無線充電器。

在這三大標準中，A4WP 采用的是非接觸式充電的磁共振技術，WPC 的“Qi”和PMA 采用的是磁感應技術。磁感應技術比較成熟，但應用場景受限；磁共振技術比較新，還未成熟，但是它將來應用的場景更廣泛。

無線充電技術一直是智能終端行業的熱點話題，消費者潛在需求巨大。美國市場研究機構近期發布的報告顯示，全球無線充電市場未來5 年內將呈現井噴式增長，年復合增長率預計為57.6%。2011 年，無線充電市場的產值僅為4.57 億美元，至2020 年，市場規模將達到150億美元。相信在不久的將來，隨著技術的進步，無線充電技術必將大大普及，并給我們的生活帶來更快捷方便的體驗。