無線充電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

李冰冰

（山東省科學(xué)技術(shù)協(xié)會學(xué)會服務(wù)中心，山東 濟(jì)南 250001）

隨著科技技術(shù)的高速發(fā)展和電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，我們的工作和生活越來越多的依賴于電子設(shè)備，我們習(xí)慣了數(shù)據(jù)線充電，也常常因為線不夠長而感到煩惱。可曾設(shè)想，有朝一日所有電子設(shè)備無需電源線，可以使用無線充電技術(shù)，隨時隨地，自由充電。

無線充電技術(shù)，又稱為感應(yīng)充電、非接觸式充電，是源于無線電力輸送技術(shù)產(chǎn)生的一種新型充電技術(shù)。無線充電技術(shù)利用近場感應(yīng)，由無線充電器將能量傳送至需充電設(shè)備，該設(shè)備使用接受到的能量對電池進(jìn)行充電，且為設(shè)備本身的運作提供能量。由于無線充電器與充電設(shè)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(dǎo)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(yīng)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(shù)，發(fā)射器與接收器分別安裝兩個(或兩組)獨立的電容極板，當(dāng)發(fā)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(xiàn)電能從發(fā)射側(cè)到接收側(cè)的傳輸。充電器或“發(fā)送器”和便攜式設(shè)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(xiàn)縱向的準(zhǔn)靜電耦合。其中驅(qū)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(dāng)然正常情況下，電容傳輸?shù)哪芰渴呛苄〉模@與電極面積小有很大的關(guān)系。因此，為了滿足給消費設(shè)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(xiàn)耦合電極之間的無線收發(fā)、同時盡量減小對外的輻射量，需要進(jìn)行正確地設(shè)計。因此需要進(jìn)一步理解和確定正確的電極尺寸、它們的設(shè)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(qū)的電壓值在800V 至1.52kV 之間。

手機(jī)無線充電、電動汽車無線充電技術(shù)更多的采用磁場耦合原理設(shè)計，其能量傳輸媒介為電感。在發(fā)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(shù)，更接近于常規(guī)的諧振式開關(guān)電源。相對于電場耦合來講，技術(shù)難度較小，優(yōu)勢比較明顯，發(fā)展速度較快。目前已經(jīng)形成三個影響力較大的聯(lián)盟組織WPC，A4WP 以及PMA，各自擁有會員多達(dá)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(shù)，如我們比較熟悉的手機(jī)無線充電。而A4WP 的技術(shù)定位在遠(yuǎn)距離無線能量傳輸，希望能夠?qū)崿F(xiàn)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(shù)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(shè)備放在無線充電板(charging pad)上面就可以進(jìn)行充電。無線充電技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了電動牙刷、電動剃須刀、無線電話、智能手機(jī)、電動汽車等領(lǐng)域。

比亞迪早在2005 年12 月就申請了非接觸感應(yīng)式充電器專利，利用的就是電磁感應(yīng)來進(jìn)行無線充電。比亞迪賣給猶他大學(xué)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(jī)將巴士停在充電墊上，經(jīng)歷數(shù)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(jìn)行家用無線充電的測試。日本豐橋技術(shù)科學(xué)大學(xué)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(jī)問世。

世界最大的家具制造商宜家宣布，將生產(chǎn)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(jī)或其他移動設(shè)備充電的家具預(yù)計也在2015 年即將上市。三星手機(jī)2015 年3 月份公布的熱門機(jī)型Galaxy S6 支持無線充電。

無線充電技術(shù)近年發(fā)展迅速，但也遇到了很多技術(shù)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(shù)問題，眼下最棘手的是不同生產(chǎn)商的標(biāo)準(zhǔn)不一致，這就必須統(tǒng)一規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。否則，各廠商的設(shè)備無法兼容，會造成無線充電設(shè)備的浪費。目前主流的無線充電標(biāo)準(zhǔn)有三種：PMA 標(biāo)準(zhǔn)、Qi 標(biāo)準(zhǔn)、A4WP 標(biāo)準(zhǔn)。

PMA 標(biāo)準(zhǔn)全稱Power Matters Alliance 是由Duracell Powermat 公司發(fā)起的，而該公司則是由寶潔與無線充電技術(shù)公司Powermat 合資經(jīng)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(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)。PMA 聯(lián)盟致力于為符合IEEE 協(xié)會標(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。PMA 偏向咖啡桌、家具等充電設(shè)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(wù)。

Qi 標(biāo)準(zhǔn)是全球首個推動無線充電技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化組織——無線充電聯(lián)盟(Wireless Power Consortium,簡稱WPC)推出的“無線充電”標(biāo)準(zhǔn)，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(jī)和充電器大部分都符合“Qi”標(biāo)準(zhǔn)。不同品牌的產(chǎn)品，只要有一個Qi 的標(biāo)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(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。Qi 采用了目前最為主流的電磁感應(yīng)技術(shù)。203 個WPC 成員都支持Qi 標(biāo)準(zhǔn)，Qi 有超過5000 萬個安裝基地，認(rèn)證過684 個產(chǎn)品。Qi 的無線充電方案已經(jīng)安裝在包括三星、諾基亞、谷歌、中興品牌在內(nèi)的超過72 款移動設(shè)備里。作為唯一提供汽車無線充電的標(biāo)準(zhǔn)，Qi 還支持了15 款已上市車型。在一些公共場所出現(xiàn)。阿姆斯特丹的德勤辦公大樓里，每個工作區(qū)的桌子上都安裝了Qi。1 月7 日，麥當(dāng)勞剛剛宣布要在英國50 個門店中，增加采用Qi 標(biāo)準(zhǔn)的600 個無線充電熱點。

A4WP 是Alliance for Wireless Power 標(biāo)準(zhǔn)的簡稱，由美國高通公司、韓國三星公司以及Powermat 公司共同創(chuàng)建的無線充電聯(lián)盟創(chuàng)建。該聯(lián)盟還包括Ever Win Industries、Gill Industries、Peiker Acustic 和SK Telecom 等成員，目標(biāo)是為包括便攜式電子產(chǎn)品和電動汽車等在內(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。前者傳輸效率可能較低，但可以實現(xiàn)稍遠(yuǎn)距離的無線充電。后者需要近距離接觸，例如將手機(jī)放在一個底座上，不用接線就可以通過感應(yīng)充電，但這樣充電效率較高。

A4WP 標(biāo)準(zhǔn)組成聯(lián)盟希望讓無線充電迅速普及，讓用戶在任何地方都可進(jìn)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(jī)、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(rèn)選擇無線充電器。

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

無線充電技術(shù)一直是智能終端行業(yè)的熱點話題，消費者潛在需求巨大。美國市場研究機(jī)構(gòu)近期發(fā)布的報告顯示，全球無線充電市場未來5 年內(nèi)將呈現(xiàn)井噴式增長，年復(fù)合增長率預(yù)計為57.6%。2011 年，無線充電市場的產(chǎn)值僅為4.57 億美元，至2020 年，市場規(guī)模將達(dá)到150億美元。相信在不久的將來，隨著技術(shù)的進(jìn)步，無線充電技術(shù)必將大大普及，并給我們的生活帶來更快捷方便的體驗。