無線充電：指向方便與安全

周路菡

如今，越來越多的電子產(chǎn)品進(jìn)入到普通人的工作生活中，為大家?guī)砹藰O大的便捷。但傳統(tǒng)的電力傳輸方式大多是通過導(dǎo)線或插座將電力傳輸?shù)浇K端產(chǎn)品。隨著移動(dòng)設(shè)備、無線數(shù)據(jù)傳輸、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益普及，人們對電動(dòng)設(shè)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(tǒng)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(shù)已經(jīng)成功在手機(jī)、電腦、隨身聽等小功率設(shè)備的充電上進(jìn)行了商業(yè)化應(yīng)用。作為21世紀(jì)最值得期待的技術(shù)之一，無線充電產(chǎn)品成為人們關(guān)注的新焦點(diǎn)。

兼具方便與安全的無線充電技術(shù)

無線充電并不是一個(gè)新的概念，也不是一項(xiàng)新技術(shù)。早在1890年，尼古拉·特斯拉（NikolaTesla）做了無線輸電試驗(yàn)，他曾經(jīng)構(gòu)想把地球作為內(nèi)導(dǎo)體、地球電離層作為外導(dǎo)體，通過放大發(fā)射機(jī)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(huán)繞地球的表面電磁波來傳輸能量的方法。

隨著技術(shù)的發(fā)展，無線電力傳輸技術(shù)越來越趨于現(xiàn)實(shí)。1967年，美國空軍同雷神公司合作進(jìn)行了世界上首次電力微波傳輸試驗(yàn)。1979年，美國航空航天局NASA和美國能源部聯(lián)合提出太陽能計(jì)劃——建立“SPS太陽能衛(wèi)星基準(zhǔn)系統(tǒng)”。1994年，科學(xué)家利用微波成功地將5kW的電力送達(dá)42m處。2003年，歐盟在非洲的留尼汪島建造了一個(gè)10萬kW的實(shí)驗(yàn)型微波輸電裝置，實(shí)現(xiàn)了以2.45GHz頻率向接近1km的格朗巴桑村（Grand-Bassin）進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)無線供電。

不過，先進(jìn)的無線充電技術(shù)真正走進(jìn)日常人的生活還要追溯到2007年3月。當(dāng)時(shí)美國賓夕法尼亞州的Powercast公司開發(fā)出可為各種耗電量相對較低的電子產(chǎn)品充電或供電的無線充電技術(shù)，這種技術(shù)一經(jīng)推出就技驚四座。隨后，利用該技術(shù)的無線充電產(chǎn)品迅速移植到手機(jī)、MP3、隨身聽、溫度傳感器、助聽器、汽車零部件，甚至體內(nèi)植入式醫(yī)療裝置中。

據(jù)了解，這種通過磁場來進(jìn)行電力傳輸?shù)某潆娤到y(tǒng)包含了兩件東西：一個(gè)是插在插座上的發(fā)射器，也就是通常我們說的充電器，另一個(gè)則是嵌入電子產(chǎn)品上的接收器。在發(fā)射器和接收器內(nèi)各有一個(gè)線圈，發(fā)送端線圈連接有線電源后，電流通過線圈便會(huì)產(chǎn)生磁場，發(fā)出電磁信號(hào)，接收線圈感應(yīng)到發(fā)送端的電磁信號(hào)后，就可以將其轉(zhuǎn)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(shù)也不是盡善盡美。比如美國Palm公司早在4年前就已發(fā)售內(nèi)置無線充電功能的Pre手機(jī)，但由于技術(shù)不成熟，不久之后Palm便從這個(gè)市場中消失了。另外一些采用無線充電技術(shù)的手機(jī)，在使用過程中并沒有擺脫充電器的束縛，必須將手機(jī)緊貼充電器，相較于有線充電，更不利于邊充電邊使用手機(jī)。

但無線充電器的出現(xiàn)畢竟向無線充電革命邁進(jìn)了一大步。隨著全球智能手持設(shè)備市場競爭愈演愈烈，無線充電系統(tǒng)也成為眾多廠商爭奪的蛋糕，由此也不斷促進(jìn)了該技術(shù)的發(fā)展。目前，除了電磁感應(yīng)原理的充電系統(tǒng)，應(yīng)用磁共振原理的充電系統(tǒng)也越來越成熟。就在2014年3月，據(jù)國外網(wǎng)站介紹，摩托羅拉Moto360智能手表將進(jìn)入市場，其重要的亮點(diǎn)就是該款智能手表將配備無線電磁感應(yīng)充電功能以及表面采用高端材料藍(lán)寶石玻璃制成。甚至有外媒報(bào)道，美國杜克大學(xué)普拉特工程學(xué)院的兩位學(xué)生發(fā)明了一種可以將手機(jī)WiFi信號(hào)轉(zhuǎn)化成電流的新技術(shù)，有望在未來徹底取代手機(jī)充電器。

應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大

在消費(fèi)電子領(lǐng)域，由于使用頻繁，人們對電子產(chǎn)品的電池電量有很高的要求。所以目前在智能手機(jī)市場中，無線充電成為各大手機(jī)制造商志在必奪的蛋糕。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(jī)，它們都可以通過感應(yīng)無線充電器充電。另外在MP3、電動(dòng)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(lǐng)域也出現(xiàn)了應(yīng)用。

實(shí)際上不僅是在消費(fèi)電子領(lǐng)域，電池產(chǎn)品作為各種設(shè)備的動(dòng)力來源，在醫(yī)療器械、航空航天、交通運(yùn)輸、水下探測等領(lǐng)域無線充電技術(shù)也有著廣泛的應(yīng)用前景，涉及軍事、工業(yè)、醫(yī)療、運(yùn)輸、電力、航空航天、空間站、衛(wèi)星、軍艦、航母、節(jié)能環(huán)保、便攜式通信設(shè)備等行業(yè)。

比如在醫(yī)療器械領(lǐng)域，無線充電技術(shù)發(fā)展改變了醫(yī)療植入式電子系統(tǒng)的供電方式，并促進(jìn)了醫(yī)療電子行業(yè)的發(fā)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(jìn)行體外能量傳輸，可以減少人體受感染的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)又解決了電池壽命有限的問題。

另外，電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)也進(jìn)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(dòng)汽車無線充電技術(shù)研究的國家。

日本長野無線公司于2009年8月宣布開發(fā)出了基于磁共振的充電系統(tǒng)，可以在600mm的傳輸距離內(nèi)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(jìn)入市場。

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

日本IHI株式會(huì)社于2011年11月采用美國WiTricity公司磁共振無線供電技術(shù)，研發(fā)出電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)。據(jù)了解，該系統(tǒng)包含了安裝在電動(dòng)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(dòng)汽車及充電電池，電動(dòng)汽車在充電點(diǎn)停車時(shí)，將自動(dòng)予以充電，而汽車與充電設(shè)備之間并無接觸。WiTricity公司表示，與電磁感應(yīng)和微波等無線電能傳輸系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有更高傳輸效率和更遠(yuǎn)輸電距離，系統(tǒng)在20cm傳輸距離可實(shí)現(xiàn)無線充電輸出功率3.3kW，充電效率達(dá)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(shù)，該技術(shù)在未來可為純電動(dòng)車和插電式混動(dòng)車進(jìn)行充電，僅需90分鐘就可將電池充滿。這套技術(shù)的原理就是使用充電線圈制造的電磁場進(jìn)行無線充電。豐田將充電線圈布置在地面停車位上，當(dāng)汽車停放在車位上時(shí)，位于汽車底盤部位的充電接收器接收來自充電線圈發(fā)送的電力，從而開始進(jìn)行充電。

2014年2月，日本奈良先端科學(xué)技術(shù)大學(xué)（NAIST）信息科學(xué)研究系教授岡田實(shí)的研究室與電力設(shè)備及工業(yè)機(jī)器人制造商大阪變壓器公司合作，開發(fā)出了可為移動(dòng)中的設(shè)備及純電動(dòng)汽車等無線充電的“使用平行雙線的無線電力傳輸方式”。據(jù)悉，與排列多個(gè)線圈作為供電器的傳統(tǒng)技術(shù)相比，新技術(shù)具有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（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(guān)系的影響。該技術(shù)設(shè)想的用途是為行駛中的純電動(dòng)車等移動(dòng)體充電。例如，在工廠的工業(yè)機(jī)器人通道或者車道旁的人行道上設(shè)置平行雙線，為裝有受電器的機(jī)器人、純電動(dòng)車、電動(dòng)巴士、自行車及行人的智能手機(jī)等充電。

最近，美國斯坦福大學(xué)一個(gè)研究小組正在設(shè)計(jì)開發(fā)一種高效充電系統(tǒng)，可使電動(dòng)汽車在公路上一邊行駛一邊自動(dòng)充電，該充電系統(tǒng)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(yīng)線圈，當(dāng)汽車通過該高速路時(shí)就會(huì)引起共振，產(chǎn)生的磁場將電力持續(xù)不斷地傳輸給電池，這種無線傳輸方案的充電效率可達(dá)97%。

伴隨著技術(shù)成熟程度和傳送功率的提高，無線充電技術(shù)有望很快進(jìn)入電動(dòng)汽車充電領(lǐng)域。其中豐田已經(jīng)在2012年確認(rèn)將在2014款聆風(fēng)上實(shí)裝該項(xiàng)技術(shù)，日產(chǎn)也是全球汽車制造商中第一個(gè)明確制定時(shí)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(chǎn)聆風(fēng)和雪佛蘭沃藍(lán)達(dá)汽車上，但目前該產(chǎn)品僅限于北美地區(qū)。此外，奔馳、奧迪和特斯拉也在進(jìn)行無線充電技術(shù)的研究；雷諾汽車與高通公司合作，開發(fā)基于雷諾電動(dòng)汽車的無線充電系統(tǒng)；而于2014年開賽的純電動(dòng)版F1，也將采用無線充電技術(shù)。

無線充電標(biāo)準(zhǔn)之爭

與有線充電技術(shù)一樣，標(biāo)準(zhǔn)化也是阻礙無線充電技術(shù)發(fā)展的障礙之一。電磁感應(yīng)和磁場共振兩種方式孰優(yōu)孰劣還未產(chǎn)生定論，單就其中一種方式而言，不同的企業(yè)和研究組織也使用了不同的標(biāo)準(zhǔn)。目前消費(fèi)電子產(chǎn)品主流的無線充電標(biāo)準(zhǔn)有三種：QI標(biāo)準(zhǔn)、A4WP 標(biāo)準(zhǔn)和PMA標(biāo)準(zhǔn)。

其中Power Matters Alliance（PMA）標(biāo)準(zhǔn)是由Duracell Powermat公司發(fā)起的，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(shí)力。目前已經(jīng)有AT&T、Google和星巴克三家公司加盟了PMA聯(lián)盟。據(jù)了解，PMA聯(lián)盟致力于為符合IEEE協(xié)會(huì)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。

QI是全球首個(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（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。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，為無線充電的大規(guī)模應(yīng)用提供可能。

A4WP是Alliance for Wireless Power標(biāo)準(zhǔn)的簡稱，由美國高通公司、韓國三星公司以及前面提到的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(dòng)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(diǎn)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(shí)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(gè)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。

目前，QI已被WPC的126家行業(yè)領(lǐng)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(biāo)準(zhǔn)發(fā)布以來，僅僅過了24個(gè)月的時(shí)間，采用這一標(biāo)準(zhǔn)的創(chuàng)新產(chǎn)品激增了350%，速度之快令人震驚，同時(shí)也滿足了成員企業(yè)產(chǎn)品最優(yōu)化和差別化需求。”WPC副主席鄧蘊(yùn)美女士如是說。

而為了與QI進(jìn)行抗衡，2014年2月，A4WP和PMA宣布兼容，這意味著無線充電標(biāo)準(zhǔn)將走向統(tǒng)一。據(jù)了解，PMA和A4WP在未來依然保持兩個(gè)品牌的方式，但二者簽署了使兩個(gè)領(lǐng)先的無線充電標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)全球互通性的協(xié)議。該協(xié)議通過統(tǒng)一可實(shí)現(xiàn)互用性和簡化下一代無線充電的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，確保在體現(xiàn)各自標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢的同時(shí)兼容對方標(biāo)準(zhǔn)，起到補(bǔ)充和提升的作用。值得一提的是PMA將會(huì)匹配A4WP的磁共振充電規(guī)格，同時(shí)在單/多模式下發(fā)射和接收電力。而A4WP則是對獲得PMA的誘導(dǎo)龜?shù)?，在多模電感模式下?shí)現(xiàn)磁共振。

這種相互兼容，意味著標(biāo)準(zhǔn)之爭的解決，距離用戶更近了一步。對于未來和QI標(biāo)準(zhǔn)的兼容性，AW4P的營銷總監(jiān)Geoff-Gordon表示：“我們對于和其他組織的對話保持開放態(tài)度?！?/p>

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

中國企業(yè)不甘落后

我國無線電能傳輸技術(shù)相關(guān)研究和應(yīng)用正在起步。2005年，比亞迪申請了應(yīng)用電磁感應(yīng)技術(shù)的非接觸感應(yīng)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(shù)，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(huán)保能源技術(shù)研究所實(shí)現(xiàn)了對新能源汽車距離數(shù)十厘米的無線電能傳輸。中國香港城市大學(xué)研制出基于ICPT的手機(jī)、MP3等便攜式通信設(shè)備充電平臺(tái)，可將數(shù)個(gè)電子產(chǎn)品放在一個(gè)充電平臺(tái)上通過低頻電磁場充電。2010年CES展會(huì)上，海爾應(yīng)用無線電力傳輸技術(shù)推出了一款無尾電視。

2013年11月19日，由硅展科技自主研發(fā)的iNPOFi智能無輻射充電技術(shù)在北京正式發(fā)布。據(jù)了解，iNPOFi智能無線充電技術(shù)能夠達(dá)到94.7%的電能轉(zhuǎn)化率，相比傳統(tǒng)無線充電技術(shù)提升了2倍到3倍之多，同時(shí)充電過程中的電磁輻射量也穩(wěn)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(chǎn)品已經(jīng)面世，分別為蘋果和三星幾款暢銷手機(jī)定制，已在2014年初向消費(fèi)者開放。就在2014年紐約CES展會(huì)（國際消費(fèi)電子展）上，大連硅展科技有限公司研發(fā)的InPoFi無線充電技術(shù)制造的可折疊無線充電設(shè)備獲得了設(shè)計(jì)與工程最佳創(chuàng)新獎(jiǎng)，這也是近5年惟一獲該獎(jiǎng)的中國產(chǎn)品。

目前，無線充電產(chǎn)品已經(jīng)成為消費(fèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域的焦點(diǎn)。根據(jù)IHS預(yù)計(jì)，2014年無線電源傳送器和接收器的出貨量收入將成長264%，達(dá)到7.85億美元，而這一數(shù)字還將在2018年時(shí)達(dá)到85億美元。無線充電技術(shù)的創(chuàng)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(shí)報(bào)撰文指出，阻礙無線充電市場推廣的可能不是技術(shù)的缺點(diǎn)，而是標(biāo)準(zhǔn)之爭。目前行業(yè)內(nèi)出現(xiàn)了幾個(gè)大的聯(lián)盟，其中蘋果未參與任何聯(lián)盟，而是自行提交了無線充電技術(shù)專利申請。而標(biāo)準(zhǔn)的多樣，使得后期無線充電設(shè)備的認(rèn)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(yè)模式。從這一點(diǎn)上來講，形成一個(gè)國際通行的標(biāo)準(zhǔn)，使收發(fā)設(shè)備之間具備廣泛的兼容性乃是無線充電產(chǎn)品未來要突破的重點(diǎn)。