全球無線充電技術(shù)及其發(fā)展態(tài)勢(shì)分析

文 祝毓 楊帆

總體看來，我國(guó)無線充電技術(shù)在發(fā)展階段上基本與國(guó)際同步。

隨著各項(xiàng)技術(shù)的成熟以及對(duì)無線充電需求的增加，無線充電技術(shù)（Wireless Charging Technology）領(lǐng)域的發(fā)展日益引起各方關(guān)注。本文基于上海市軟科學(xué)研究基地——前沿技術(shù)發(fā)展研究中心的有關(guān)成果，研究分析無線充電技術(shù)的技術(shù)原理、標(biāo)準(zhǔn)和發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢(shì)。

無線充電技術(shù)是指不通過導(dǎo)線而是通過電磁感應(yīng)、電磁共振、射頻、微波、激光等方式經(jīng)由空氣介質(zhì)實(shí)現(xiàn)非接觸式電能傳輸?shù)募夹g(shù)。相較于傳統(tǒng)的電力傳輸，無線充電技術(shù)無需布線和充電端子，具備較高的便捷性。隨著電力電子器件、功率變換和控制技術(shù)的發(fā)展，無線充電技術(shù)在轉(zhuǎn)換率、低輻射等方面逐漸取得突破，目前無線充電已經(jīng)在電動(dòng)牙刷、電動(dòng)剃須刀、無繩電話等部分家電產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，現(xiàn)在其應(yīng)用范圍又?jǐn)U大到了智能手機(jī)領(lǐng)域及電動(dòng)汽車和列車領(lǐng)域，未來無線充電技術(shù)將不斷擴(kuò)展到醫(yī)療、電力、航空航天、節(jié)能環(huán)保等更多領(lǐng)域。

無線充電關(guān)鍵技術(shù)取得突破，高效率是未來主攻方向

四類技術(shù)基本成熟，磁共振方式應(yīng)用前景看好。按可供電范圍的差異，可將目前無線充電技術(shù)分成電磁感應(yīng)方式、電場(chǎng)耦合方式、磁共振方式和電波接收方式（如表1所示）。其他新技術(shù)也在不斷涌現(xiàn)，如日本村田制作所提出的借助開關(guān)技術(shù)大幅提高無線充電系統(tǒng)整體電力傳輸效率的技術(shù)——“直流共振方式”，目前尚在研發(fā)中。

表1 主要的無線充電技術(shù)

當(dāng)前最成熟、最普遍的是電磁感應(yīng)方式，近幾年必定它是無線充電的主流模式。磁共振方式因其具有自由度較大、無輻射和無電磁干擾的優(yōu)點(diǎn)，未來應(yīng)用前景最好，被認(rèn)為是最有希望廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車的一種無線充電方式。業(yè)內(nèi)已在探討采用即使供受電器方向不一致也能供電的磁共振方式，利用十字路口路旁縱向設(shè)置的供電器向汽車下方設(shè)置的受電器充電；或是在高速公路的中央分離帶設(shè)置供電器，為行駛在高速公路上的汽車進(jìn)行“行駛供電”，由此將帶來公路等社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的巨大變革。但是磁共振方式的充電距離與其線圈本身的Q值相關(guān)，因此對(duì)材料具有較高要求。

高效率是未來主要突破方向。四類技術(shù)均面臨隨著距離增加而電力利用效率下降的問題。電磁感應(yīng)方式從微小電力到100kW以上的大電力均可實(shí)現(xiàn)傳輸，充電效率在70%左右；磁共振方式可實(shí)現(xiàn)向數(shù)十厘米至數(shù)米距離的無線傳輸電力，在遠(yuǎn)離供電底座的垂直方向上擁有較高的自由度，但距離增加會(huì)降低充電效率，約為40%～60%；電場(chǎng)耦合方式的傳輸距離較短，充電效率為70%左右；電波接收方式適用于大范圍且不易受環(huán)境影響的電能傳輸，傳輸效率也較低。因此提高無線充電的效率成為未來主要的突破方向。

應(yīng)用研發(fā)與商業(yè)化是各研發(fā)主體布局的熱點(diǎn)。目前各研發(fā)主體均已在無線充電技術(shù)領(lǐng)域展開布局，加速其應(yīng)用研發(fā)和商業(yè)化。發(fā)展最為成熟的電磁感應(yīng)方式已進(jìn)入市場(chǎng)開拓階段，Powermat、三洋電機(jī)、精工愛普生、昭和飛機(jī)工業(yè)、Fulton Innovation等眾多企業(yè)在汽車、輕軌等方面進(jìn)行技術(shù)開發(fā)。高通、WiTricity、索尼、長(zhǎng)野日本無線、TDK等企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)正在推進(jìn)汽車等多領(lǐng)域的磁共振充電技術(shù)研發(fā)。村田制作所則用約3年時(shí)間進(jìn)行電場(chǎng)耦合方式的技術(shù)開發(fā)和提高，構(gòu)筑了以基本專利為中心的專利網(wǎng)，試制完成了為平板終端及電子書等便攜式終端提供無線充電的充電臺(tái)。電波接收方式較為領(lǐng)先的有英特爾、日本電業(yè)工作、Powercast等，Powercast研制的微型高效接收電路可以捕捉從墻壁彈回的無線電波能量，在隨負(fù)載做出調(diào)整的同時(shí)保持穩(wěn)定的直流電壓，其已與飛利浦公司簽署合作協(xié)議，進(jìn)一步推進(jìn)商業(yè)化。

無線充電產(chǎn)業(yè)剛剛起步，各大企業(yè)布局加速

無線充電技術(shù)產(chǎn)業(yè)及市場(chǎng)情況。無線充電技術(shù)現(xiàn)已在包括智能手機(jī)、PC電視、電動(dòng)汽車等多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用，無線充電方案已基本成熟，現(xiàn)在重點(diǎn)關(guān)注的是成本和兼容性。據(jù)市場(chǎng)研究公司IHS iSuppli數(shù)據(jù)分析，2011年全球無線充電設(shè)備銷售收入達(dá)8.858億美元，比2010年增長(zhǎng)616%，隨后幾年呈急劇增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)；預(yù)計(jì)2014年配備無線充電功能的設(shè)備出貨量將由2010年的360萬臺(tái)增長(zhǎng)65倍，增至2.35億臺(tái)，市場(chǎng)規(guī)模將增至180億美元；2015年將達(dá)到240億美元左右。

主要優(yōu)勢(shì)企業(yè)。隨著無線充電技術(shù)的成熟和應(yīng)用范圍的擴(kuò)展，各大企業(yè)紛紛開展研究并取得成果。在電磁感應(yīng)技術(shù)方面，高通公司在收購(gòu)新西蘭奧克蘭大學(xué)創(chuàng)建的風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)HaloIPT后，基于這一領(lǐng)域的大量專利進(jìn)行“感應(yīng)電力傳輸”技術(shù)開發(fā)，2012年與法國(guó)雷諾公司就開發(fā)純電動(dòng)車用無線充電技術(shù)簽署備忘錄，在倫敦使用雷諾公司和英國(guó)Delta Motorsport公司的50輛電動(dòng)汽車開展電磁感應(yīng)方式無線充電實(shí)證試驗(yàn)。在磁共振技術(shù)方面，由MIT研究小組成立的WiTricity擁有175個(gè)磁共振相關(guān)專利，其開發(fā)的無線充電技術(shù)在輸出功率為3.3千瓦、傳輸距離為20厘米的情況下，綜合效率達(dá)90%；同時(shí)與Delphi、三菱汽車、IHI、豐田等皆有合作開發(fā)，并向半導(dǎo)體公司聯(lián)發(fā)科（MediaTek）授權(quán)提供磁共振技術(shù)。在電場(chǎng)耦合技術(shù)方面，這一領(lǐng)域較為領(lǐng)先的包括日本竹中工務(wù)店、村田制作所等，其中竹中工務(wù)店基于電場(chǎng)耦合開發(fā)的無線電力傳輸技術(shù)支持水平方向的錯(cuò)位，并且不使用鐵氧體及利茲線圈，由此可降低產(chǎn)品的重量及成本。

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。各類無線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)競(jìng)爭(zhēng)激烈，目前全球無線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要有Qi標(biāo)準(zhǔn)、A4WP標(biāo)準(zhǔn)和PM A 標(biāo)準(zhǔn)三種?；陔姶鸥袘?yīng)方式的Qi標(biāo)準(zhǔn)，由無線充電聯(lián)盟WPC（Wireless Power Consortium）制定，是唯一向所有廠商都開放的標(biāo)準(zhǔn)。Qi采用較小的感應(yīng)線圈，能夠較容易地在較高頻率下傳輸能量；但是由于充電距離較短，因此在實(shí)際使用中不夠靈活。目前，Qi標(biāo)準(zhǔn)從移動(dòng)終端向高功率的數(shù)碼產(chǎn)品，甚至基礎(chǔ)設(shè)施無線充電設(shè)備領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，全球市場(chǎng)上已有562款Qi認(rèn)證產(chǎn)品，包括產(chǎn)品和組建。WPC聯(lián)盟成員已達(dá)200多家，包括Convenient Power、Fulton Innovation、美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體、奧林巴斯、飛利浦、高通等，涵蓋電池、消費(fèi)電子、設(shè)備制造、基礎(chǔ)設(shè)施等眾多領(lǐng)域?；诖殴舱穹绞降腁4WP標(biāo)準(zhǔn)，全稱Alliance for Wireless Power，由高通、三星以及Powermat共同創(chuàng)建，為包括便攜式電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車在內(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(duì)話機(jī)制，推進(jìn)磁共振方式無線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化。由于該聯(lián)盟成立較晚，目前采用A4WP技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品不多。為提高傳輸效率，A4WP采用了更大的輸出線圈，能同時(shí)為多臺(tái)設(shè)備充電；同時(shí)由于設(shè)定了精確的共振頻率，使得微弱的感應(yīng)磁場(chǎng)也能為設(shè)備充電，從而擴(kuò)大了充電范圍；A4WP還可以根據(jù)充電設(shè)備的數(shù)量和缺電狀況自動(dòng)調(diào)整能量分配方案，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。目前A4WP聯(lián)盟已有超過40個(gè)成員，包括三星、Qualcomm、Broadcom、Gill Industries、英特爾和SK Telecom等。基于電磁感應(yīng)方式的PMA標(biāo)準(zhǔn)，全稱Power Matters Alliance，2012年由Duracell Powermat公司（寶潔與無線充電技術(shù)公司Powermat合資經(jīng)營(yíng)）發(fā)起制定，致力于為符合IEEE協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)的手機(jī)和電子設(shè)備打造無線充電標(biāo)準(zhǔn)。PMA標(biāo)準(zhǔn)充電方式有兩種：一是內(nèi)建無線充電芯片，二是采用WiCC無線充電卡，充電卡只需安裝在移動(dòng)設(shè)備的電池上，缺點(diǎn)是不能直接用在無法拆卸電池的設(shè)備上。PMA聯(lián)盟目前包括美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)（FCC）、AT&T、Starbucks、三星、Broadcom、LG、華為、Google等100多家企業(yè)，涉及通信、消費(fèi)設(shè)備、汽車、零售等多行業(yè)領(lǐng)域。2013年10月高通也加入PMA聯(lián)盟，協(xié)助開發(fā)能同時(shí)支持低頻電磁感應(yīng)及高頻電磁諧振兩種無線充電技術(shù)的新規(guī)格產(chǎn)品。

除企業(yè)聯(lián)盟外，美國(guó)、歐洲和日本等標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)或相關(guān)協(xié)會(huì)團(tuán)體也抓緊推進(jìn)無線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，探索在多領(lǐng)域的實(shí)用化。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的共同工作組“PT61980”正在推進(jìn)電動(dòng)汽車領(lǐng)域的無線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化；日本總務(wù)省、JARI（日本汽車研究所）、JSAE （日本汽車技術(shù)會(huì)）、JEITA（日本電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)）等都在進(jìn)行無線充電技術(shù)的研究和標(biāo)準(zhǔn)制定工作。

我國(guó)無線充電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

總體看來，國(guó)內(nèi)無線充電技術(shù)雖然起步較晚，但在發(fā)展階段上基本與國(guó)際同步，即快速成長(zhǎng)期。

技術(shù)研發(fā)快速發(fā)展。2011年山東省青島市科技發(fā)展戰(zhàn)略研究所、山東科技大學(xué)、青島科技大學(xué)、海爾集團(tuán)超前技術(shù)研究中心共同繪制完成了“無線電力傳輸產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖”，從資源基礎(chǔ)、研發(fā)需求、技術(shù)壁壘、行業(yè)需求、產(chǎn)業(yè)目標(biāo)等方面描繪了無線電力傳輸產(chǎn)業(yè)發(fā)展的路徑。同時(shí)，一些企業(yè)通過獨(dú)立或是合作研發(fā)，在無線充電技術(shù)上取得重要突破并已投入使用。2013年硅展科技公司研發(fā)并擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“INPOFI智能無線充電技術(shù)”在美國(guó)國(guó)際消費(fèi)電子展上獲得零售商熱門獎(jiǎng)，這項(xiàng)技術(shù)具備無輻射、高電能轉(zhuǎn)化效率、熱效應(yīng)微弱等特性，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在無線充電技術(shù)方面的空白。比亞迪取得了應(yīng)用電磁感應(yīng)技術(shù)的非接觸感應(yīng)式充電器專利。中興通訊與東風(fēng)汽車開展合作，并于2014年正式啟動(dòng)我國(guó)第一條投入商用的無線充電公交示范線，其中大功率無線充電技術(shù)完全使用我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，率先實(shí)現(xiàn)新能源汽車無線充電技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。

標(biāo)準(zhǔn)起草加快推進(jìn)。中國(guó)有著全球最大的消費(fèi)電子市場(chǎng)，但國(guó)內(nèi)尚無規(guī)范的無線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，目前國(guó)家和企業(yè)層面都在加快推進(jìn)無線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定。從國(guó)家層面來看，2011年，中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)啟動(dòng)了有關(guān)無線充電技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的研究，其《近場(chǎng)無線充電技術(shù)研究》已獲報(bào)批，已完成《無線電源設(shè)備電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)性要求和測(cè)量方法》、 《短距離及類似設(shè)備電磁照射符合性要求和評(píng)估方法》、《無線電源設(shè)備技術(shù)要求和測(cè)試方法 第1部分：通用要求》報(bào)批稿。2012年，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)批準(zhǔn)了第一個(gè)無線充電國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃——電子信息產(chǎn)品低功率無線充電技術(shù)規(guī)范。全國(guó)信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)也啟動(dòng)相關(guān)工作，由中國(guó)電子、桑菲通信、電信研究院、海爾等9家企業(yè)和機(jī)構(gòu)組成標(biāo)準(zhǔn)起草小組，進(jìn)行頻率、協(xié)議方面的研究以及標(biāo)準(zhǔn)草案的起草。從企業(yè)層面來看，“INPOFI無線充電聯(lián)盟”接納了包括手機(jī)、平板電腦、相機(jī)等企業(yè)通過戰(zhàn)略合作協(xié)議方式加入，共享INPOFI智能技術(shù)方案。但硅展科技公司要想在國(guó)際上推廣自己的INPOFI智能無輻射充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，勢(shì)必受到多方阻擊。因此政府對(duì)推動(dòng)自主無線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、打破國(guó)外技術(shù)壟斷具有至關(guān)重要的作用。

參與國(guó)際競(jìng)合能力亟待增強(qiáng)。從關(guān)鍵領(lǐng)域看，國(guó)外無線充電技術(shù)最主要的領(lǐng)域是充配電及電能存儲(chǔ)、磁體材料、電動(dòng)汽車；國(guó)內(nèi)有將近一半比例集中于充配電及電能存儲(chǔ)，其他領(lǐng)域分散而零碎，特別是電動(dòng)汽車領(lǐng)域較少。從區(qū)域發(fā)展來看，目前中國(guó)市場(chǎng)上有25%左右的無線充電專利來自日本、中國(guó)臺(tái)灣、美國(guó)、韓國(guó)、德國(guó)等地區(qū)。此外，廣東、江蘇、北京、浙江、上海、山東等六個(gè)地區(qū)無線充電專利申請(qǐng)數(shù)量占據(jù)中國(guó)本土申請(qǐng)總量的80%左右。從競(jìng)爭(zhēng)機(jī)構(gòu)看，國(guó)內(nèi)前20強(qiáng)中，有國(guó)外企業(yè)9個(gè)、國(guó)內(nèi)企業(yè)5個(gè)（國(guó)家電網(wǎng)、海爾、中興通訊、奇瑞汽車等）、大學(xué)6個(gè)（天津工業(yè)大學(xué)、東南大學(xué)、浙江大學(xué)、重慶大學(xué)、華南理工大學(xué)、清華大學(xué)）。相比較而言，國(guó)內(nèi)企業(yè)的實(shí)力較弱。