無線充電 開啟通信“無尾時(shí)代”

鄒巍

“多少人嘲諷我是個(gè)空想家，他們都是頭腦最愚笨，目光最短淺的蠢才，還是讓時(shí)間來說話吧?！痹缭?891年，鬼才發(fā)明家、交流電之父特斯拉就成功點(diǎn)亮了一盞沒有連接電線的燈泡，從而證明了無線的電力傳輸并非空想。在達(dá)爾文的進(jìn)化論中，從統(tǒng)計(jì)學(xué)和生物學(xué)的角度為世人揭示了人類為什么沒有尾巴，這場(chǎng)演變被定義為高等智慧的開端，其準(zhǔn)確性雖無定論，但在科技領(lǐng)域，電信的“無尾時(shí)代”正在悄無聲息蛻變中，其技術(shù)從構(gòu)想走到了真實(shí)世界。

不少人或許會(huì)問，無線充電真的可行嗎？事實(shí)上，2013年年初，在美國拉斯維加斯舉辦的第46屆國際消費(fèi)電子展（CES）上，使用平板電腦為手機(jī)進(jìn)行無線充電已成為展會(huì)的一大亮點(diǎn)，格外引人關(guān)注。在智能手機(jī)耗電多、電池續(xù)航能力差、充電頻繁的應(yīng)用背景下，“無線充電技術(shù)使人們無需借助電線和插座就可以為手機(jī)等電子產(chǎn)品充電，這將帶給人們更多的方便并大幅提高工作效率。”更有業(yè)界人士豪情萬丈地預(yù)測(cè)，到2017年，全世界無線充電市場(chǎng)的規(guī)模將達(dá)到數(shù)百億美元，有望成為信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的又一塊“大蛋糕”。

可行性研究的智能化突破

其實(shí)，無線充電技術(shù)就是利用了我們中學(xué)物理課上學(xué)過的電生磁、磁生電的基本原理。以手機(jī)為例，充電板中的電路將電能轉(zhuǎn)換為電磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)在空間傳播，并在手機(jī)中相應(yīng)的接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，經(jīng)過專用的電路進(jìn)行整流、穩(wěn)壓后就可以直接充進(jìn)手機(jī)電池中。

早在1890年，現(xiàn)代交流電系統(tǒng)的奠基者尼古拉·特斯拉就曾提出無線供電的設(shè)想。二十世紀(jì)二十年代中期，日本人H.Yagi論述了不利用導(dǎo)線去點(diǎn)亮電燈的輸電方案。二十世紀(jì)六七十年代，美國雷神公司（Raytheon，美國大型國防合約商）將這一理念變成現(xiàn)實(shí)，將頻率為2.45GHz的微波能量轉(zhuǎn)換為直流電，并通過不斷改進(jìn)，使得轉(zhuǎn)換效率提高到50%以上。2000年以后，國際上逐漸掀起了對(duì)無線能量傳輸技術(shù)的研究高潮。在2009年、2010年的CES上，至少有三家廠商對(duì)外展示了無線充電底座，例如Plam Pre公司的無線充電器、Fulton公司的iPhone充電器以及PowerMat公司的首發(fā)充電模塊。而在2013年的CES上，F(xiàn)ulton公司再次演示了使用平板電腦背部為手機(jī)充電的新一代產(chǎn)品。據(jù)目前所知，無線供電（充電）技術(shù)主要有三種實(shí)現(xiàn)形式：

形式一，近場(chǎng)耦合式。這一形式通過近場(chǎng)電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能傳輸，是當(dāng)前工程領(lǐng)域中最為可行的電能傳輸方式，其通過將交變電流在原線圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)耦合到副線圈上，實(shí)現(xiàn)無線供電。這種形式的傳輸距離非常近（一般小于5mm），主要應(yīng)用于便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品、醫(yī)療非接觸式產(chǎn)品、無線充電等。

形式二，磁場(chǎng)共振式。這一形式通過非輻射磁場(chǎng)內(nèi)兩線圈的共振效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)中距離的無線供電（供電距離一般不超過1m）。2007年美國麻省理工大學(xué)研究小組應(yīng)用廣為人知的電磁場(chǎng)近場(chǎng)理論，實(shí)現(xiàn)了幾倍于振蕩器尺寸的傳輸距離的、較高效益的電能傳播，并將其命名為“Witricity”技術(shù)。試驗(yàn)中，該小組使用直徑60cm的銅線圈，通過調(diào)整發(fā)射頻率使其在10MHz左右發(fā)生共振，從而點(diǎn)亮了2米外的一盞60W的燈泡。

形式三，微波輻射式。這一方式通過電波的形式在遠(yuǎn)場(chǎng)范圍內(nèi)采用定向天線或高質(zhì)量的平行激光束實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離供電（一般認(rèn)為最遠(yuǎn)可實(shí)現(xiàn)36000km），在發(fā)射端將電能轉(zhuǎn)化為射頻功率并以可控、低損的方式，將其以微波形式輻射出去，在接收端則利用整流天線等裝置將微波能量轉(zhuǎn)換為直流或交流電能。這一形式主要用于衛(wèi)星、太陽能發(fā)電的傳輸系統(tǒng)等。例如2003年歐盟在非洲的留尼旺島建造了一座10kw的實(shí)驗(yàn)型微波輸電站。

無線充電技術(shù)是完全不借助電線，使電能通過無線方式傳輸，從而為設(shè)備充電的一種技術(shù)。它已經(jīng)顯示出巨大優(yōu)勢(shì)，無線充電技術(shù)一旦普及，將使電子產(chǎn)品擺脫插座和線纜的束縛，有助于解決電氣接口不同或充電器不兼容的問題，從而增強(qiáng)便攜性、美觀性以及使用的安全性。2012年9月，諾基亞發(fā)布的Lumia920手機(jī)就首次引入了內(nèi)置無線充電功能。如果這一功能能夠得以大規(guī)模商業(yè)化運(yùn)行，將有可能實(shí)現(xiàn)能源的綠色化、低碳化，解決地球資源日益枯竭等問題。

群雄角逐的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)比拼

目前，人們普遍看好無線充電市場(chǎng)的未來。眾多知名的電子生產(chǎn)商已經(jīng)開始進(jìn)軍無線充電市場(chǎng)，并謀求制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)無線充電聯(lián)盟主席曼諾·特里夫斯稱，目前主要有Qi、A4WP和PMA三大標(biāo)準(zhǔn)，由此形成了三大陣營。此外，蘋果公司等還單獨(dú)設(shè)立了標(biāo)準(zhǔn)。

Qi標(biāo)準(zhǔn)是無線充電聯(lián)盟2010年推出的5瓦以下小功率無線充電標(biāo)準(zhǔn)。Qi是漢字“氣”的漢語拼音，在東方哲學(xué)中代表無形的能量，被用來借指功率發(fā)射器和功率接收器之間的兼容性。目前，Qi標(biāo)準(zhǔn)在業(yè)內(nèi)的影響力最大，諾基亞、宏達(dá)、LG、谷歌Nexus4都采用這一規(guī)格。巧合的是，無線充電聯(lián)盟的成員企業(yè)有138家，當(dāng)下采用Qi標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品也剛好是138種，其中包括30多款手機(jī)。

2013年3月14日，韓國三星公司研發(fā)的安卓（Android）手機(jī)GalaxyS4于美國紐約亮相，與以往只支持FDD-LTE（歐洲主導(dǎo)的3G技術(shù)）制式不同，此次三星明確宣布將推出由中國移動(dòng)、大唐電信、華為、中興等中國企業(yè)主導(dǎo)的TD-LTE制式的產(chǎn)品。這一新款手機(jī)將采用Qi無線充電標(biāo)準(zhǔn)，把4G技術(shù)與Qi無線充電融為一體。特里夫斯說，Qi也是唯一一個(gè)向所有廠商都開放的標(biāo)準(zhǔn)，“任何人都可從我們的網(wǎng)站免費(fèi)下載，無需支付任何專利費(fèi)”。無線充電聯(lián)盟還計(jì)劃推出中功率、高功率無線充電標(biāo)準(zhǔn)。

不過與此同時(shí)，Qi標(biāo)準(zhǔn)也正面臨眾多公司的挑戰(zhàn)。蘋果公司稱年內(nèi)將推出具備無線充電功能的智能手機(jī)，并為新款iPhone手機(jī)量身定制一套無線充電標(biāo)準(zhǔn)。早在2012年3月，美國寶潔公司與美國金霸王電池旗下的Powermat公司發(fā)起了電力聯(lián)盟并推出PMA標(biāo)準(zhǔn)。同年5月，美國高通、韓國三星和Powermat公司創(chuàng)建了無線電源聯(lián)盟，并于10月推出A4WP標(biāo)準(zhǔn)。

目前尚未形成無線充電統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，某些關(guān)鍵問題尚未解決，因此市場(chǎng)上才出現(xiàn)了其他標(biāo)準(zhǔn)。例如Qi標(biāo)準(zhǔn)采用感應(yīng)電磁勘探法，發(fā)射線圈與接收線圈必須對(duì)齊才能開始充電，能量傳輸率只有70%多一點(diǎn)。一旦兩個(gè)線圈出現(xiàn)偏離，傳輸率會(huì)迅速下降。此外，這種充電方式引起的輻射也值得高度關(guān)注?，F(xiàn)有的這些標(biāo)準(zhǔn)都會(huì)釋放電磁輻射，也都存在能量傳輸率過低的問題。

那么，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)是否會(huì)促進(jìn)無線充電行業(yè)發(fā)展呢？許多業(yè)內(nèi)專家給出了肯定答復(fù)，用戶希望不同品牌的充電器和手機(jī)之間存在兼容性，而這最終將靠市場(chǎng)來完成。市場(chǎng)會(huì)自動(dòng)地整合出一種全球通行的無線充電解決方案，如果采用Qi標(biāo)準(zhǔn)的手機(jī)越來越多，消費(fèi)者自然就會(huì)購買Qi規(guī)格的充電器。但從嚴(yán)格意義上來說，無線充電聯(lián)盟推出的標(biāo)準(zhǔn)并非真正的標(biāo)準(zhǔn)，而只是無線充電的Qi規(guī)格，屬于一種“自發(fā)的行業(yè)規(guī)格”。真正的標(biāo)準(zhǔn)是指對(duì)產(chǎn)品特征的強(qiáng)制性規(guī)定，比如安全標(biāo)準(zhǔn)、電磁干擾條例等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)由政府來制定和推行，而不是由這么多的非政府性質(zhì)的行業(yè)聯(lián)盟越俎代庖。

相關(guān)專家稱，無線充電技術(shù)目前只能支持5瓦以下的小功率充電，只適用于智能手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、游戲機(jī)等電子產(chǎn)品。隨著今后為平板電腦、筆記本電腦充電的中功率無線充電器走向市場(chǎng)，以及大功率無線充電技術(shù)日趨成熟，無線充電標(biāo)準(zhǔn)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)將逐漸凸顯，群雄角逐的市場(chǎng)必然倒逼業(yè)界不得不出臺(tái)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，從而進(jìn)一步規(guī)范無線充電行業(yè)的健康發(fā)展。

信息蛋糕的中國市場(chǎng)份額

客觀地說，我國對(duì)感應(yīng)式電能傳輸?shù)难芯科鸩捷^晚。有研究稱，此前西安石油學(xué)院李宏教授發(fā)表的一篇關(guān)于感應(yīng)電能傳輸?shù)木C述性文章，可以說是拉開了國內(nèi)無線電能傳輸研究的序幕。此后，國內(nèi)各大電子電力研究機(jī)構(gòu)的研究工作深入開展、進(jìn)展較快。例如：中科院電工所的嚴(yán)陸光院士的課題組進(jìn)行了深入的理論研究，重慶大學(xué)2007年研制了可實(shí)現(xiàn)0.6kw～1.6kw的電能輸出的感應(yīng)電能傳輸裝置等等。另有眾多研究提出將感應(yīng)能量傳輸技術(shù)應(yīng)用于同步電機(jī)、生物醫(yī)學(xué)、礦井安全等方面，使無線充電這門新興技術(shù)向更廣的產(chǎn)業(yè)延伸，從而更具可喜的發(fā)展未來。

這里不得不提的是，諾基亞、LG電子等公司采用Qi標(biāo)準(zhǔn)。作為全球首個(gè)推動(dòng)無線充電技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化組織——無線充電聯(lián)盟推出的“無線充電”標(biāo)準(zhǔn)，Qi具備便捷性和通用性兩大特征。首先，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。其次，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。2010年9月，無線充電聯(lián)盟在北京宣布將Qi無線充電國際標(biāo)準(zhǔn)率先引入中國。原信息產(chǎn)業(yè)部通信電磁兼容質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心也加入該組織。同時(shí)，ITU-R WP1A工作組已經(jīng)確立了第ITU-R 210-2/1號(hào)課題——《無線功率傳輸》，中國將積極參與這項(xiàng)課題的研究，并將在2013年6月召開的相關(guān)會(huì)議上開展頻譜工程方面的專題討論。

2013年5月，深圳桑菲通信推出飛利浦無線充電手機(jī)，這也是全球首批Qi標(biāo)準(zhǔn)無線充電手機(jī)，其價(jià)格不超過3000元，包括無線充電的設(shè)備。海爾、湖北松懿力騰和ConvenientPower等中國企業(yè)也各自展示了集成Qi標(biāo)準(zhǔn)的電子產(chǎn)品。將手機(jī)放在一個(gè)電磁爐大小的無線充電站上，無需電線相連，就能實(shí)現(xiàn)充電功能。Qi標(biāo)準(zhǔn)自去年8月開始在中國推廣，目前聯(lián)盟成員數(shù)量已增加到74家。飛利浦、HTC、諾基亞、三星、索尼愛立信、百思買等知名企業(yè)紛紛加入?，F(xiàn)在Qi在中國的應(yīng)用產(chǎn)品主要是手機(jī)，今后將向更多數(shù)碼電子產(chǎn)品延伸。呈現(xiàn)出后來居上的發(fā)展態(tài)勢(shì)，如果把握精準(zhǔn)，有望搶占市場(chǎng)先機(jī)。

“中國企業(yè)已搶先開發(fā)其中的商機(jī)，有望領(lǐng)跑無線充電市場(chǎng)，率先實(shí)現(xiàn)Qi的大規(guī)模商用?！睙o線充電聯(lián)盟主席MennoTreffers表示。據(jù)市場(chǎng)研究公司iSuppli預(yù)測(cè)，2013年全球無線充電市場(chǎng)空間將達(dá)180億美元，屆時(shí)除手機(jī)外，相機(jī)、電腦等產(chǎn)品都可以用Qi充電器進(jìn)行充電。

工業(yè)和信息化部電信研究院泰爾實(shí)驗(yàn)室主任何桂立指出，2013年移動(dòng)終端將進(jìn)一步快速發(fā)展，外延內(nèi)涵不斷擴(kuò)展、LTE終端、云計(jì)算應(yīng)用、無線充電、手機(jī)安全將無可爭(zhēng)議成為市場(chǎng)熱點(diǎn)。目前，我國僅移動(dòng)手機(jī)使用量就已超過10億臺(tái)，更新?lián)Q代的速度非?？欤瑹o線充電的市場(chǎng)潛力巨大。隨著3G技術(shù)走向普及，由中國主導(dǎo)的4G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)成為未來智能手機(jī)的方向，技術(shù)和產(chǎn)業(yè)邁向成熟，國際通信巨頭積極支持，推動(dòng)4G標(biāo)準(zhǔn)國際化速度，同時(shí)，國家4G牌照發(fā)放指日可待，我國在無線充電技術(shù)上應(yīng)該有所作為，這么大的市場(chǎng)蛋糕不該拱手讓人，至少先占據(jù)本國市場(chǎng)，再向全球“攻城掠地”。在這種情況下，起步階段與國際通信巨頭和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟合作，不失為加快產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)良策，也可為未來的無線充電市場(chǎng)及其附屬產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品集聚正能量。

告別不勝其煩的充電線

如今，繼手機(jī)通用充電器標(biāo)準(zhǔn)化《移動(dòng)通信終端電源適配器及充電、數(shù)據(jù)接口技術(shù)要求和測(cè)試方法》和應(yīng)用取得重要成功之后，通過無線方式完成充電（供電）的應(yīng)用呼聲愈發(fā)高昂?，F(xiàn)有資料顯示，手機(jī)無線充電應(yīng)用是在2008年開始的，代表性事件是無線供電聯(lián)盟（Wireless Power Consortium，WPC）的成立，其使命是以制定無線供電性能的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)。WPC目前主要致力于“緊耦合”方案的無線充電技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。2012年5月8日，另一無線充電聯(lián)盟（Alliance for Wireless Power，A4WP）宣告成立，其準(zhǔn)備推行的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的主要特征為“松耦合”方式。該方式通過電磁共振技術(shù)實(shí)現(xiàn)充電，充電板和手機(jī)的距離比“緊耦合”方式要大，可以設(shè)計(jì)成一個(gè)充電板為多個(gè)手機(jī)同時(shí)充電，應(yīng)用場(chǎng)景更加靈活，進(jìn)一步促進(jìn)無線供電技術(shù)的發(fā)展。由于無導(dǎo)線連接，在一些特殊環(huán)境和情況下實(shí)現(xiàn)供電有其獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)，在一些日常生活中，該技術(shù)已經(jīng)廣泛在電動(dòng)牙刷、電動(dòng)剃須刀等小型家電產(chǎn)品充電中得到應(yīng)用。

現(xiàn)實(shí)生活中，隨著智能技術(shù)的日趨普及，智能設(shè)備越來越強(qiáng)大的功能與蓄電池技術(shù)發(fā)展的遲滯，形成了鮮明對(duì)照。人們幾乎每天都要與各種充電器、充電線和電源連接線打交道，每個(gè)人都有多個(gè)充電器、連接線，不僅不勝其煩，而且造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)?，F(xiàn)在，無線充電技術(shù)的發(fā)展，可以讓人們?cè)诓贿h(yuǎn)的將來，徹底告別各種煩人的充電線了。

目前，無線充電技術(shù)尚存若干技術(shù)難題。例如提高充電效率、降低成本、增加有效充電距離等。無線充電的電磁波傳輸過程中損耗較大（電磁輻射與距離的4次方成反比地衰減），這就限定了各種標(biāo)準(zhǔn)的有效充電距離。因此，在提高能效轉(zhuǎn)換上，這一技術(shù)有相當(dāng)大的提升和改進(jìn)空間。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(huì)造成無線充電設(shè)備新的嚴(yán)重浪費(fèi)，這是必須要避免的，更需要深入研發(fā)，符合資源節(jié)約型社會(huì)的發(fā)展潮流。由于目前有多種標(biāo)準(zhǔn)在競(jìng)爭(zhēng)，技術(shù)和其他因素導(dǎo)致各大移動(dòng)設(shè)備廠商在整合無線充電技術(shù)上猶豫不決，一定程度上影響了普及無線充電技術(shù)的進(jìn)程。

然而無論如何，無線充電技術(shù)將最終走向普及并眾望所歸地進(jìn)入普通家庭，將給人們的日常生活帶來諸多便利。作為智能終端行業(yè)的熱點(diǎn)話題，無線充電潛在消費(fèi)需求量巨大，據(jù)美國市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)近期發(fā)布的報(bào)告顯示，全球無線充電市場(chǎng)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(jì)為57.6%。2011年，無線充電市場(chǎng)的產(chǎn)值僅為4.57億美元，至2020年，市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到千億美元。

在2013國際消費(fèi)電子展上，F(xiàn)ulton Lnnovation公司展示了可在手提包中進(jìn)行無線充電的原型產(chǎn)品，用戶只需將手機(jī)放入這種具有無線充電功能的手提包中，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)手機(jī)的無線充電。與此相類似，無線充電器也可整合到汽車、桌子、椅子甚至櫥柜當(dāng)中，甚至將來此項(xiàng)技術(shù)可以外延到其他電子產(chǎn)品，推而廣之的前景非常樂觀。

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，帶來更快捷方便的全新體驗(yàn)。人們所使用的許多電子產(chǎn)品，包括手機(jī)、相機(jī)和平板電腦等，都有望徹底告別充電線。對(duì)于已經(jīng)厭倦每天用連接線給大量電子產(chǎn)品充電的數(shù)10億消費(fèi)者而言，無線充電技術(shù)無疑非常值得期待。