無線充電簡介：它是什么，它是怎樣工作的？

Lucas+Mearian+楊勇

無線充電技術(shù)已經(jīng)有100多年的歷史了，但在蘋果新的iPhone系列等設備上得以應用之后，它才被重新賦予了新生命。本文介紹其工作原理，它為什么會很快出現(xiàn)在從家庭到機器人的各個領(lǐng)域中。

無線充電自19世紀晚期就出現(xiàn)了，當時的電力先驅(qū)尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）演示了磁共振耦合——在兩個電路（一個發(fā)射器和一個接收器）之間建立磁場，通過空氣來傳輸電能。

但在大約100年的時間里，除了一些電動牙刷之外，這項技術(shù)并沒有得到多少實際應用。

如今，有近六種無線充電技術(shù)在使用，所有這些都是為了取消智能手機和筆記本電腦到廚房電器和汽車等各種設備所使用的電纜。

無線充電正在進入醫(yī)療保健、汽車和制造業(yè)等領(lǐng)域，因為它承諾能夠提高移動性和先進性，可以讓微小物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設備在離充電器幾英尺遠的地方獲得電力。

目前在用的最流行的無線技術(shù)利用了兩個銅線圈之間的電磁場，這極大地限制了設備和充電板之間的距離。蘋果在iPhone 8和iPhone X中使用的就是這類充電方式。

無線充電是怎樣工作的

據(jù)IHS Markit的研究經(jīng)理David Green表示，一般來說，無線充電有三種類型。充電板，使用了緊耦合電磁感應技術(shù)或者短距離充電技術(shù)；充電碗或表面通過型充電器，使用了松耦合電磁共振充電技術(shù)，可以把電荷傳輸幾厘米；非耦合射頻（RF）無線充電，能夠在幾英尺遠的距離上進行涓流充電。

緊耦合電磁感應和松耦合共振充電技術(shù)都遵循同樣的物理原理：隨時間變化的磁場在導線閉合回路中感應出電流。

它的工作原理是這樣的：一個磁環(huán)天線（銅線圈）被用來產(chǎn)生振蕩磁場，它可以在一個或者多個接收器天線中產(chǎn)生電流。如果加入適當?shù)碾娙荩咕€圈在相同頻率下共振，那么接收器中感應電流就會增大。這就是共振感應充電或者磁共振充電；發(fā)射機和接收機之間能夠以較遠的距離傳輸電能，提高了充電效率。線圈的大小也會影響電能傳遞的距離。線圈越大，線圈越多，充電的距離就越遠。

例如，在智能手機無線充電板上，銅線圈的直徑只有幾英寸，嚴重限制了電能有效傳輸?shù)木嚯x。

但當線圈較大時，可以通過無線傳輸更多的能量。這就是10年前由麻省理工學院研究人員成立的WiTricity公司最先采用的方法。它允許從汽車、風力渦輪機到機器人的所有設備都采用松耦合共振技術(shù)。

2007年，麻省理工學院物理學教授Marin Marin Soljacic證明他可以在兩米的距離上傳輸電能；那時，在這一距離上，電能傳輸效率只有40%，意味著60%的電能在轉(zhuǎn)換過程中損失了。Soljacic在當年年底成立了WiTricity公司，把這項技術(shù)商業(yè)化，自此之后，電能傳送效率開始大幅度增加。

在WiTricity的汽車充電系統(tǒng)中，接收器的大型銅線圈直徑超過了25厘米，能夠高效的把電能傳輸25厘米的距離。據(jù)WiTricity公司首席技術(shù)官Morris Kesler，使用共振技術(shù)可以傳輸功率較高的電能（最大11kW），而且效率高（端到端大于92%）。WiTricity公司還在導電回路中增加了電容器，從而增加了能夠采集到的能量，并用于給電池充電。

該系統(tǒng)不僅僅適用于汽車。去年，總部位于日本的機器人制造商Daihen公司開始發(fā)售基于WiTricity技術(shù)的無線電力傳輸系統(tǒng)，應用于自動駕駛汽車（AGV）。裝有Daihen的D-Broad無線充電系統(tǒng)的AGV，可以開到充電區(qū)直接進行充電，然后去行使其倉庫職責。

雖然遠距離充電有很大的潛力，但無線充電至今展示給公眾的仍然是充電板。

Green表示：“從進展和行業(yè)準備情況來看，充電板自2015年以來已經(jīng)量產(chǎn)；充電碗/表面通過型充電器實際上今年才發(fā)布；商用大批量投產(chǎn)后至少經(jīng)過一年的時間才能實現(xiàn)在一個房間內(nèi)進行充電——盡管Energous新品目前展示了該方法在很短的距離內(nèi)能夠工作，例如，幾厘米內(nèi)?！?/p>

2016年僅發(fā)售了2億多臺支持無線充電的設備，幾乎所有的設備都采用某種形式的感應（充電板）式設計。

今年九月，在落后其他手機制造商幾年后，蘋果終于做出了選擇，采用了WPC的Qi標準——三星和其他Android智能手機制造商使用該標準至少有兩年了。

第一代移動設備無線充電器出現(xiàn)在大約六年前；它們使用緊耦合或者感應充電，這需要用戶把智能手機放在充電板恰當?shù)奈恢蒙?，給它充電。

Navigant Research的首席分析師Benjamin Freas表示：“在我看來，完全對準才能充電并不比插入式充電省事?！?/p>

Freas說，雖然早期采用者和技術(shù)人員采用的是感應式充電器，但其他人沒有。

2012年9月，諾基亞920成為第一款提供基于Qi規(guī)范的內(nèi)置無線充電功能的商用智能手機。

無線充電標準之爭

幾年來，有三個相互競爭的無線充電標準小組專注于感應和共振充電規(guī)范，他們是無線充電聯(lián)盟（A4WP）、充電事項聯(lián)盟（PMA）和無線充電協(xié)會（WPC）。后者擁有296名成員，其中包括蘋果、谷歌、Verizon和很多名副其實的電子產(chǎn)品制造商。

WPC制定了最流行的無線充電標準——Qi，支持感應式或者平板式充電，以及短距離（1.5cm或者更短）的電磁共振感應充電。Qi標準正在被蘋果公司使用。

PMA及其Powermat共振充電規(guī)范在咖啡店和機場推廣無線充電技術(shù)，而且取得了成功。例如，星巴克在2014年開始推出無線充電板。

由于有相互競爭的標準，對移動設備的支持仍然是分散的，大多數(shù)移動設備需要適應性的應用情形來支持無線充電。

2015年，A4WP和PMA決定聯(lián)手組建AirFuel聯(lián)盟，目前有110名成員，其中包括戴爾、金霸王、三星和高通。endprint

作為AirFuel聯(lián)盟的成員，金霸王Powermat宣稱其在美國擁有1，500多個充電點，并通過Powermat的合作伙伴PowerKiss，在歐洲的機場、酒店和咖啡館設立了1，000個充電點。AirFuel還宣布在一些麥當勞餐廳提供無線充電。據(jù)Freas講，這是無線充電得以廣泛采用的一種方式。

AirFuel主要關(guān)注電磁共振和射頻

AirFuel專注于兩種充電技術(shù)：電磁共振和射頻，您即使四處走動，也能夠為您的移動設備充電。

AirFuel發(fā)言人Sharen Santoski表示：“我們已經(jīng)看到了明確的市場指標，共振和射頻是前進的方向。這兩種技術(shù)在空間自由度、易用性和易于安裝上都有明顯的優(yōu)勢，這是創(chuàng)造市場價值和客戶滿意度的重要因素。我們認為，共振是短期內(nèi)實現(xiàn)在公共基礎設施上廣泛部署的最佳技術(shù)?！?/p>

Santoski說，因此，越來越多的咖啡店、餐館和機場已經(jīng)部署基于共振技術(shù)的無線充電站。Santoski表示：“臺灣正在大力投資，中國也是如此?！?/p>

AirFuel最近宣布了與桃源機場地鐵的一個項目，在列車和車站提供共振充電。家具制造商Order Furniture開發(fā)出了一系列支持共振技術(shù)的家具。

Freas表示：“如果在所有的餐館和咖啡店里都有充電服務，那么人們更有可能使用它，而在家里用充電板充電?！?/p>

Freas說，這些項目大多還處于試點階段，他又補充說，消費者和企業(yè)都不太愿意采用緊耦合充電，而更傾向于松耦合共振充電，這是因為松耦合充電在空間上更自由一些——把電話、平板電腦或者筆記本電腦放到桌面上，就能夠充電了。

WiTricity和車輛無線充電

7月，戴爾發(fā)布的Latitude筆記本計算機采用了位于馬薩諸塞州Watertown的WiTricity公司提供的共振無線充電技術(shù)，該公司的這一許可技術(shù)最初是由麻省理工學院（MIT）開發(fā)的。戴爾無線充電器提供高達30W的充電功率，所以Latitude筆記本電腦的充電速度與插入墻插進行充電的速度相同。

但WiTricity主要關(guān)注的是汽車行業(yè)。根據(jù)WiTricity公司首席執(zhí)行官Alex Gruzen，該公司是AirFuel聯(lián)盟的成員之一，預計將有多家電動汽車制造商宣布對其車輛提供無線充電支持。

該公司的電磁共振技術(shù)支持在距離充電板9英寸遠的地方進行充電。這樣，電動汽車充電時，停在一個大型充電板之上即可。

例如，梅賽德斯-奔馳今年將推出S550e插電式混合動力轎車，具備使用WiTricity技術(shù)的能力；S550e停在充電板上便能夠充電，效率比插入充電更高。

Kesler說，電動汽車應用是為電磁共振充電量身定制的。這是因為車輛不需要充電電纜，無線充電板充電效率要高于電纜。（Kesler說，有線充電系統(tǒng)使用電子設備把交流電轉(zhuǎn)換成直流電，還需要調(diào)節(jié)電流大小，效率降低到大約86%。）

Kesler說：“我們的無線充電端到端的效率可以達到93%——從墻壁直到被充電的電池。”

遠距離無線充電

本月，蘋果收購了總部位于新西蘭的公司PowerByProxi，這讓一些行業(yè)觀察人士感到意外，該公司開發(fā)了基于Qi規(guī)范的松耦合共振充電技術(shù)。

PowerbyProxi成立于2007年，作為奧克蘭大學的衍生公司，是由企業(yè)家Fady Mishriki創(chuàng)立的。PowerByProxi已經(jīng)展示了充電盒和充電碗，可以放置多個設備，同時充電。

這家奧克蘭的公司開始面向建筑、電信、國防和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)銷售大型系統(tǒng)。其中一種產(chǎn)品是用于風力渦輪機的無線控制系統(tǒng)。

WPC指導委員會成員PowerByProxi將其技術(shù)小型化，把它置于AA可充電電池中，無需把該技術(shù)直接嵌入到設備中。無線技術(shù)裝置約占AA電池高度的10%。

蘋果可以使用PowerByProxi的技術(shù)來擴展其在無線充電領(lǐng)域的應用，不僅僅是智能手機，還有對電視遙控器、計算機外設或者任何需要電池的設備進行充電。

雖然無線充電技術(shù)最明顯的應用是在移動設備充電板上，但這項技術(shù)也正在應用于從倉庫機器人到微型物聯(lián)網(wǎng)設備等眾多領(lǐng)域，否則，這些設備要連接電源線，或者采用可替換電池供電。

Ossia和Energous都已經(jīng)展示了超過15英尺的無線充電技術(shù)。Ossia充電器可以向幾英尺遠的地方發(fā)送大約兩瓦的電量，但隨著距離的增加電量會迅速下降。然而，據(jù)Ossia首席執(zhí)行官Mario Obeidat，即使在30英尺的距離上，能傳輸這些電量也是“有意義的”，暗指是對設備進行涓流充電，以維持設備的電量。

Obeidat說：“假設我每天在辦公室工作8到10個小時，而且我正在接收半瓦或者一瓦的電力；一直在為我的設備充電。所以，如果要花五個小時才能充滿電的話，那沒關(guān)系，因為我一直都在那里?！?/p>

私募股權(quán)和風險投資公司Sorenson Capital的董事總經(jīng)理Rob Rueckert在早些時候接受《計算機世界》采訪時表示：“Ossia和Energous我都用過；技術(shù)不錯?！?/p>

Rueckert認為，遠距離充電技術(shù)比充電板甚至充電盒更有吸引力，因為后者還需要移動設備相對緊密地連接到充電電源。

Energous的WattUp和Ossia的Cota移動設備充電系統(tǒng)的工作原理與無線路由器非常相似，發(fā)送的射頻（RF）信號被可穿戴設備和手機接收。PCB板形式的小型射頻天線，ASIC和軟件構(gòu)成了無線電力接收器。

使用一個尺寸約4x4mm的多天線管理芯片，Cota電力發(fā)射器可以內(nèi)置到各種外形封裝中，從天花板到桌子、書桌、玻璃、電視和汽車儀表盤等各種外形。

發(fā)射器自動檢測支持Cota的設備，并包括了一個溫度傳感單元，以防止過熱。endprint

Obeidat說：“我們稱之為真正的無線電源。我們的技術(shù)和市場上其他技術(shù)的區(qū)別，比如Qi，在于我們能夠遠程傳送電力。而其他技術(shù)要求您把設備放在充電板上。所以，實際上，您必須把設備放下才能充電?！?/p>

Obeidat還聲稱Cota充電技術(shù)可以穿透墻壁工作，就像Wi-Fi路由器一樣。

Obeidat說：“我們的技術(shù)與設備無關(guān)。您可以想象在房間里有一個發(fā)射器，它可以同時給智能手機、平板電腦和智能手表充電?！?/p>

Ossia已經(jīng)在零售貨架產(chǎn)品電子標簽上試用了它的技術(shù)。標簽可以告知購物者產(chǎn)品的詳細信息或者銷售情況，而無需工人放置實物標志或者更改價格標簽。

雖然有些人對只能近距離的傳送幾瓦電能的想法嗤之以鼻，而投資者卻認真的看待這種想法。例如，加利福尼亞州Pleasanton的AirFeel成員Energous在2014年上市時籌集了大約2500萬美元。

Energous的WattUp充電器采用了藍牙無線通信規(guī)范。和Ossia的Cota技術(shù)一樣，WattUp能夠發(fā)送的瓦數(shù)是有限的。結(jié)果，Energous專注于為小型移動設備供電，而不是需要更高容量的筆記本計算機或者電池。

據(jù)Energous發(fā)布的信息，一臺WattUp發(fā)射器能夠為24臺設備充電，所有這些設備都可以通過軟件控制來啟用或者禁用充電。最大功率是4瓦，此時只能同時為四臺設備充電。當更多的“授權(quán)”設備進入房間時，每臺設備的充電功率就會下降。

遠距離采用無線充電的一個潛在障礙是，Ossia和Energous的技術(shù)都不能為支持Qi的設備充電；該技術(shù)是專有的。

只是開始

Green認為，Qi和Powermat提供了一個良好的開端，但強調(diào)技術(shù)并不是完全無線的。他說：“Qi發(fā)起了關(guān)于無線電力的討論。有必要對消費者進行教育，讓他們了解這項技術(shù)能干什么?！?/p>

從Qi的充電板充電開始，在用戶開始接受無線電源的前提下，很快會要求有更靈活、更強大的解決方案：遠距離充電，在充電的同時還能靈活地使用設備。

Green說：“有一點很清楚，2017年，還不會出現(xiàn)在一個在房間內(nèi)提供全速無線充電的設備。而是兩個極端——與電線相同的速度進行充電，但在充電板上；或者非常慢地充電，但距離較遠?！眅ndprint