無線充電技術(shù)：機遇與挑戰(zhàn)

周路菡

2017年9月，蘋果公司發(fā)布了iPhone8、iPhone8 Plus、iPhoneX后，引起全球關(guān)注。其中蘋果手機的iPhone8/x全系無線充電吸引了全世界的目光。無線充電技術(shù)具有方便、安全、空間利用率高等特點，能夠解決智能手機續(xù)航時間短甚至電動汽車充電樁短缺的問題，因此是未來充電技術(shù)升級的必然方向。隨著蘋果的智能手機加入無線充電陣營，將快速拉動整個消費電子無線充電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，未來將會有越來越多的基礎(chǔ)設(shè)施開始支持無線充電。無線充電發(fā)展動力也將從產(chǎn)業(yè)的推動變?yōu)橄M者拉動，將更好地催生出更多適應市場需求的無線充電技術(shù)產(chǎn)品。蘋果新產(chǎn)品發(fā)布，支持無線充電功能

每年9月份的科技圈從來不缺重磅產(chǎn)品，按照往常慣例，蘋果這次帶來了全新的iPhone手機。2017年是iPhone誕生十周年，蘋果自然要放一些大招來抓住眼球。2017年9月13日，蘋果公司在“太空飛船”總部Apple Park旁邊的喬布斯劇院發(fā)布iPhone8、iPhone8 Plus、iPhoneX、AppleWatch3、AppleTV4K版等一系列產(chǎn)品。

此次iphone8、iPhone8 Plus、iPhoneX的發(fā)布給我們帶來了許多驚喜，比如iphone8在許多方面都進行了創(chuàng)新。例如HOME鍵消失、無邊框屏幕、人臉識別技術(shù)的應用、無線充電功能等。

手機充電近年來一直在革新，充電效率也是越來越高，現(xiàn)在許多手機都帶有閃充功能，iPhone8采用的無線充電還是相當方便的。蘋果給iPhoneX、Apple watch、AirPod創(chuàng)造了一個共用的充電基座。蘋果稱之為Airpower。據(jù)悉，iPhoneX、iPhone8/8P的無線充電功能支持的是無線充電聯(lián)盟（wireless Power Consortium）的Qi標準。在發(fā)布會上蘋果還展示了一個名為AirPower的無線充電板，不過這塊充電板要等到明年才會發(fā)布，并且售價不菲。

說了很多年的iPhone無線充電，現(xiàn)在終于實現(xiàn)了。業(yè)內(nèi)專家表示，當iPhone采用了無線充電技術(shù)之后，無線充電技術(shù)改變世界就只是時間問題。

目前已有的無線充電技術(shù)包括電磁感應式、磁共振式、無線電波式、超聲波式、紅外激光式和電場耦合式。無線充電技術(shù)應用最廣泛的是電磁感應式，具有轉(zhuǎn)換效率高、短距離充電等優(yōu)勢。這種方式主要利用電磁波感應原理進行充電，原理類似于變壓器。在發(fā)送和接收端各有一個線圈，發(fā)送端線圈連接有線電源產(chǎn)生電磁信號，接收端線圈感應發(fā)送端的電磁信號從而產(chǎn)生電流給電池充電。簡單來說就是在發(fā)射器將電流轉(zhuǎn)化為電磁，手機通過內(nèi)置芯片接收器將電磁轉(zhuǎn)化為電流為手機充電。

蘋果設(shè)備對行業(yè)的影響力是巨大的，而且很多產(chǎn)品的設(shè)計思路對消費電子產(chǎn)業(yè)依然有決定性的影響力，蘋果對技術(shù)路線的選擇可基本決定行業(yè)未來的發(fā)展方向和趨勢。iPhone8升級為無線充電功能后，筆者綜合很多業(yè)內(nèi)人士的趨勢意見后認為，安卓陣營將全面跟進無線充電功能，在未來3年，大部分安卓手機廠商將跟進，在手機及其他消費電子產(chǎn)品上安裝無線充電功能。甚至在2019年之前，三星、華為、小米旗艦機均將標配無線充電，整體智能手機行業(yè)的無線充電滲透率有望從0%快速提升至50%以上。

目前無線充電雖然在標準上還不統(tǒng)一，但是整體技術(shù)已趨成熟，充電效率已達到有線充電的80%以上，且支持高通快充2.0等新技術(shù)，一般30分鐘內(nèi)就可將手機電量充至60%。從實際的推廣情況看，目前除高端智能手表因設(shè)計美學需要已開始普遍采用無線充電以外，手機上的無線充電也從早期的諾基亞Lumia旗艦機開始推廣到現(xiàn)在的三星GalaxyS7，甚至是國產(chǎn)手機（如Vivo），也得到了初步應用。

無線充電：優(yōu)勢盡顯，市場廣闊

今天，我們已經(jīng)離不開由手機、平板電腦、筆記本電腦等各種消費電子設(shè)備構(gòu)筑的信息世界。雖然這些設(shè)備獲取不是很困難，但是這些設(shè)備的充電及電量儲備問題依然很難看。隨著我們身邊需要用電池的設(shè)備越來越多，手機、智能手表、平板電腦甚至新能源汽車等，我們面對一個無法逃避的問題——給電子設(shè)備充電。傳統(tǒng)的充電必須使用充電線，而如今每個人周邊需要充電的電子產(chǎn)品如此之多，更有許多互不兼容的充電接口，諸多的充電線給生活帶來諸多不便，無線充電以其簡捷和便利受到關(guān)注。無線充電的普及意味著為生活提供極大的便利，這種便利就是價值。

在以往對于無線充電的解讀中，大部分推動力都來自產(chǎn)業(yè)界的技術(shù)創(chuàng)新或者商業(yè)路線的變革等，而隨著多種無線充電產(chǎn)品多年的市場教育，消費者已經(jīng)對無線充電有了一定的認知。無線充電也在逐漸從產(chǎn)業(yè)者推動升級為消費者拉動的模式。世界權(quán)威市場調(diào)查機構(gòu)IH8針對無線充電的市場接受情況在2014與2015年連續(xù)兩年做了市場調(diào)查，向美國、英國、中國的消費者每年投放1000份問卷，得到的調(diào)查結(jié)果顯示，2014年僅有37%的智能機用戶知道無線充電，2015年這個比例上升到76%。僅有0.3%的受訪者選擇了“用過，不用了”，對比目前沒有使用過但有意愿嘗試的70.1%受訪者，這表明希望首次嘗試使用無線充電的人比用過后放棄的人多得多，體現(xiàn)了無線充電的巨大潛力市場，為無線充電的快速發(fā)展作了背書。

根據(jù)IHS的預測，到2019年無線充電市場規(guī)模將突破100億美元，到2024年市場規(guī)模接近千億人元民幣。而2015年市場規(guī)模仍不足20億美元，到2018年之前，總市場將保持50%--200%的增長，勢頭十分強勁。據(jù)IHS數(shù)據(jù)顯示，2016年全球無線充電接收端出貨量達到2.05億部，其中有1.6億部來自于智能手機，發(fā)射端出貨量占接收端出貨總量的38%。

此外，無線充電組織AFA的2017年調(diào)查報告顯示，消費者已經(jīng)厭煩了插線式充電，渴望一個無線的未來，以便可以在家庭、工作和娛樂場所輕松方便地獲得電力支持。71%的受訪者希望在下一部終端設(shè)備支持無線充電，絕大部分希望手機能夠率先支持無線充電，然后是筆記本電腦和平板電腦，并且他們有意愿為無線充電額外買單；超過半數(shù)的消費者愿意多花20美元為設(shè)備增加無線充電功能；62%的受訪者認為充電速度也是至關(guān)重要的；此外，超過半數(shù)的受訪者希望辦公桌能夠支持無線充電功能。無線充電市場正處于快速增長期。endprint

行業(yè)數(shù)據(jù)顯示，無線充電主要包括無線充電發(fā)射端Tx（發(fā)射端/充電器）與接收端Rx（終端配套模塊），以及相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)鏈。在整個產(chǎn)業(yè)鏈物料供應上，產(chǎn)品元器件主要包括控制芯片、隔磁片、線圈（或FPC）、PCB、被動器件、電子變壓器、結(jié)構(gòu)件等。無線充電按照產(chǎn)業(yè)鏈分為方案設(shè)計（磁感應、磁共振、遠距離充電），原材料（永磁體、軟磁鐵氧體、鐵基納米晶），器件制造（芯片、傳感線圈、PCB），模組封裝（發(fā)射器、接收器）。

伴隨著行業(yè)龍頭蘋果手機廠商主力推進無線充電功能，無線充電技術(shù)將加快普及速度，逐步從智能手機向平板電腦、筆記本電腦、醫(yī)療設(shè)備等多方面滲透，帶動行業(yè)整體發(fā)展，利好產(chǎn)業(yè)鏈無線充電方案設(shè)計、電源芯片、磁性材料、收發(fā)線圈、模組封裝企業(yè)。未來也會出現(xiàn)大量第三方供應的無線充電產(chǎn)品，以便可以讓手機、平板、手表等多個產(chǎn)品同時在一個無線充電板上充電。

無線充電：三大標準如何選擇

從2007年至今，產(chǎn)業(yè)界與投資界對無線充電一直充滿期待，而觀察無線充電產(chǎn)品的發(fā)展速度，其實發(fā)展并不如之前預期。過了10年后，無線充電概念經(jīng)過多年的傳播已經(jīng)被更多人知曉和接納，也有知名的消費電子產(chǎn)品不斷支持無線充電技術(shù)。今天看，市場已經(jīng)完成了初步的教育。

無線充電在2015年之前有三大主流標準，即Power Matters Alliance（PMA標準）、Wireless Power Consortium（QI標準）、Alliance for Wireless Power（A4WP標準）。

其中PMA標準采用的是和QI基本相同的“電磁感應技術(shù)”，為符合美國電氣和電子工程師協(xié)會標準的手機和電子設(shè)備提供無線供電標準。PMA標準則是由DuracellPowermat公司發(fā)起，目前AT&T、Googel和星巴克已加盟PMA聯(lián)盟。PMA磁感應充電標準采用的頻段是200～400KHZ。

A4WP以Rezenc為標準，采用基于磁場共振來傳輸電能。A4WP同樣由無線充電聯(lián)盟制定，主要采用電磁諧振技術(shù)（松耦合）。2014年初推出了基本產(chǎn)品規(guī)范，由于能量發(fā)射端和接收端不必靠得很近，A4WP用戶移動性和便利性更好。但A4wP標準承載能量用的是6.78MHZ頻段，未來有可能制定13.56MHZ倍頻方案，用于控制、通信的信令、協(xié)議則使用了2.4GHZ藍牙標準，而這勢必增加設(shè)備的技術(shù)成本。

QI標準即“電磁感應技術(shù)”，需要近距離接觸，充電效率高。QI是由美國高通公司、韓國三星公司以及Powermat公司共同建立的無線充電聯(lián)盟（wirelessPowerConsortium，算寫WPC）制定，是一種短距離低功率無線感應式電力傳輸?shù)幕ミB標準，主要目的是提供移動電話與其他便攜式電子設(shè)備之間便利與通用的無線充電。該標準主要采用近距離磁感應技術(shù)（緊耦合），2010年就完成了小功率標準的產(chǎn)品上市，2013年又推出了中功率產(chǎn)品標準。該組織具備一套完整成熟的產(chǎn)品一致性和互操作性測試認證體系，保證了產(chǎn)品的兼容性和通用型。Qi標準工作頻率在110-205Mtz，目前主要應用傳輸功率5w以下，傳輸距離也相對較短，在mm-cm，適合為電池容量相對較小的終端產(chǎn)品提供無線電力供應。

蘋果為iPhoneX、iPhone8/8P的無線充電功能選擇了無線充電聯(lián)盟（wireless PowerConsortium）的QI標準。該標準已經(jīng)存在多年，但從未大規(guī)模普及。近年來，三星在其Galaxy系列旗艦智能手機上采用了QI標準無線充電技術(shù)后，整個智能手機市場才開始逐步向QI標準無線充電技術(shù)靠攏，目前大約有100多款智能手機支持QI標準無線充電技術(shù)。不過無線充電由于成本過高、標準不統(tǒng)一和充電效率不理想三大限制原因，導致還未廣泛的應用。

2015年1月，A4WP與PMA合并成立新的Airfuel Alliance，結(jié)合磁共振和磁感應兩大技術(shù)標準，打造出統(tǒng)一的無線充電解決方案。蘋果選擇了QI標準后，顯然對Airfuel Alliance意味著壞消息，但得到iPhone支持，這也是整個無線充電產(chǎn)業(yè)數(shù)年來的最好消息。

目前，無線充電技術(shù)標準正走向統(tǒng)一。無線充電三大聯(lián)盟組織的成員亦越來越同化，譬如三星和高通公司，既是WPC聯(lián)盟成員，也是A4WP聯(lián)盟的成員?？梢钥吹?，技術(shù)標準和聯(lián)盟成員正在逐步趨同，無線充電的兩種技術(shù)也在逐漸融合。比如在新款iPhone發(fā)布之后，Powermat就宣布將更新其設(shè)備以兼容QI標準。這樣用戶在星巴克為蘋果iPhone或者Galaxy S8充電就不再需要適配器。

這就是蘋果公司的力量。也就是說當市場發(fā)展到一定的程度，技術(shù)標準統(tǒng)一將是大勢所趨。未來幾年，伴隨無線充電標準統(tǒng)一，無線充電技術(shù)快速發(fā)展，無線充電功能將成為電子產(chǎn)品的標牌，所有電子設(shè)備借助統(tǒng)一的標準，無需借助電線和插座就能隨時隨地為手機、智能手表、相機、平板電腦甚至電動汽車、智能家居等智能電子產(chǎn)品充電。甚至在不遠的將來，全球范圍內(nèi)的汽車、機場、餐館和賓館都將配備統(tǒng)一標準的無線充電功能，這將極大利好整個無線充電產(chǎn)業(yè)。

開拓市場空間還需破解多重難題

無線充電市場空間很大。如果按照智能手機每年出貨15億部計算，根據(jù)第三方預測，2020年無線充電將在手機中的滲透率提升至50%，接收端模組價格在3～4美元左右的數(shù)據(jù)，無線充電手機接收端就會擁有22～30億美元的市場。從發(fā)射端來看，發(fā)射端因為功率更大且要集成芯片及外殼價格一般在十幾美元，達到接收端的數(shù)倍，發(fā)射端將擁有150～200億美元的市場。

總體來看，無線充電還需要解決安全、成本、效率和方便性這幾個問題。目前在安全性上各國都進行了長期的測試和研究。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，頻率大于10MHz會對人體有一定的加熱效應。而對于市場上現(xiàn)有的無線充電產(chǎn)品，其頻率一般在幾百kHz以下，對人體加熱的效應不會很明顯，其安全性是可以保證的。endprint

其次是成本問題。三星S6的無線充電器是298元人民幣，比市場上的有線適配器貴1倍以上。造成目前價格較高的原因是無線充電要考慮兼容，為此很多廠商做了大量設(shè)計和測試，因此不能以有多少元器件來衡量成本。據(jù)悉，蘋果在發(fā)布會上并未公布充電板AirPower的正式發(fā)售時間以及價格。不過之前曾有人預測，蘋果的無線充電器售價可能會超過一千元，而發(fā)售時間可能也得推遲到明年了。

無線充電還執(zhí)行嚴格安全的認證，這也要體現(xiàn)在成本中。但是無線充電的成本將來還是有下降的空間，因為如果電器都用無線充電，—個無線充電器可以給多個設(shè)備充電，省去了大量充電器和電線，實際上為消費者節(jié)省了費用。

此外還有無線充電的效率問題。目前無線充電設(shè)備的效率為75%左右。如果低于70%，發(fā)熱會較明顯。而且如果無線充電的效率不高，充電耗時時間長，那么就很難徹底解決人們充電難的問題。據(jù)悉，采用QI標準的充電模式轉(zhuǎn)換效率比較低，所謂轉(zhuǎn)換效率，就是電源的輸入功率與輸出功率的比值。根據(jù)2016年舉辦的國務院政策例行吹風會中介紹的《消費品標準和質(zhì)量提升規(guī)劃》，目前我國在家用電器、照明電器、紡織品、服裝、家具、玩具、鞋類產(chǎn)品、鐘表、紙質(zhì)品、洗滌用品等主要行業(yè)，國際標準的轉(zhuǎn)化率基本都超過了80%，而無線充電技術(shù)目前的轉(zhuǎn)換效率只有30%左右，差距頗大。

據(jù)悉，除了蘋果和三星應用的QI標準電磁感應技術(shù)，另外一種無線充電技術(shù)正在快速研發(fā)中，這就是磁共振技術(shù)。目前專注于該技術(shù)的公司有國外的高通、脫胎于MIT實驗室的公司witricity、國內(nèi)的微鵝科技等。目前市場上的無線充電產(chǎn)品，包括蘋果的無線充電原理都是第一代的磁感應無線充電，該無線充電技術(shù)雖然發(fā)展較久，但是在充電距離上有本質(zhì)的局限性，一般需要保持在5毫米之內(nèi)。而磁共振技術(shù)可以將充電距離擴展到50毫米。目前，寧波微鵝科技的磁共振無線充電去年就已經(jīng)在寧波、上海、杭州等城市的各大商圈、中高端消費場所、市民服務等區(qū)域覆蓋了其手機無線充電設(shè)備，也是因為它在充電距離上有了明顯的增加，發(fā)射板可以隱藏在桌下，充電面積也有大幅提高。高通在這方面也有成效，但是據(jù)了解成本還比較高，想要量產(chǎn)還需要等待一段時間。

當然，還有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，就是如何方便客戶利用碎片化時間充電，以提升手機續(xù)航能力，同時設(shè)計如何讓一個無線充電板可以給多個設(shè)備充電。當然，這些問題最終會得到很好的解決，前提是在安全、成本和充電效率都得到解決的前提下。endprint