扔掉電源線，給自己的智能手機進行無線充電。這對于許多人來說可能有點天方夜譚。但事實上，無線充電技術(shù)很快就要進入大規(guī)模的商用化。隨著無線充電技術(shù)的討論也越來越甚囂塵上。我們通常認(rèn)為電和磁是相關(guān)聯(lián)的，所以在論及無線充電的原理問題上，大多還是基于電磁感應(yīng)現(xiàn)象或者由此而衍生出來的。今天我們來詳細(xì)說明一下無線充電技術(shù)。
無線充電技術(shù)(英文：Wireless charging technology;Wireless charge technology )源于無線電能傳輸技術(shù)，可分為小功率無線充電和大功率無線充電兩種方式。
小功率無線充電常采用電磁感應(yīng)式，如對手機充電的Qi方式，但中興的電動汽車無線充電方式采用感應(yīng)式 [1] 。大功率無線充電常采用諧振式(大部分電動汽車充電采用此方式)由供電設(shè)備(充電器)將能量傳送至用電的裝置，該裝置使用接收到的能量對電池充電，并同時供其本身運作之用。
由于充電器與用電裝置之間以磁場傳送能量，兩者之間不用電線連接，因此充電器及用電的裝置都可以做到無導(dǎo)電接點外露。
歷史發(fā)展
1890年，物理學(xué)家兼電氣工程師尼古拉·特斯拉(NikolaTesla)就已經(jīng)做了無線輸電試驗。磁感應(yīng)強度的國際單位制也是以他的名字命名的。特斯拉構(gòu)想的無線輸電方法，是把地球作為內(nèi)導(dǎo)體、地球電離層作為外導(dǎo)體，通過放大發(fā)射機以徑向電磁波振蕩模式，在地球與電離層之間建立起大約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。但因財力不足，特斯拉的大膽構(gòu)想并沒有得到實現(xiàn)。后人雖然從理論上完全證實了這種方案的可行性，但世界還沒有實現(xiàn)大同，想要在世界范圍內(nèi)進行能量廣播和免費獲取也是不可能的。因此，一個偉大的科學(xué)設(shè)想就這樣胎死腹中。
2007年6月7日，麻省理工學(xué)院的研究團隊在美國《科學(xué)》雜志的網(wǎng)站上發(fā)表了研究成果。研究小組把共振運用到電磁波的傳輸上而成功“抓住”了電磁波，利用銅制線圈作為電磁共振器，一團線圈附在傳送電力方，另一團在接受電力方。傳送方送出某特定頻率的電磁波后，經(jīng)過電磁場擴散到接受方，電力就實現(xiàn)了無線傳導(dǎo)。這項被他們稱為“無線電力”的技術(shù)經(jīng)過多次試驗，已經(jīng)能成功為一個兩米外的60瓦燈泡供電。這項技術(shù)的最遠輸電距離還只能達到2.7米，但研究者相信，電源已經(jīng)可以在這范圍內(nèi)為電池充電。而且只需要安裝一個電源，就可以為整個屋里的電器供電。
2014年2月，電腦廠商戴爾加盟了A4WP陣營，當(dāng)時，陣營相關(guān)高層就表示，會對技術(shù)進行升級，支持戴爾等電腦廠商的超極本進行無線充電。市面上的傳統(tǒng)筆記本電腦，大部分電源功率超過了50瓦，不過超極本使用了英特爾的低功耗處理器，將成為第一批用上無線充電的筆記本電腦。在此之前，無線充電技術(shù)，一直只和智能手機、小尺寸平板等“小”移動設(shè)備有關(guān)。不過，無線充電三大陣營之一的A4WP(“無線充電聯(lián)盟”)日前宣布，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)升級，所支持的充電功率增加到50瓦，意味著筆記本電腦、平板等大功率設(shè)備，也可以實現(xiàn)無線充電。
2017年10月，支持無線充電功能的手機大家庭，又迎來了3名新成員：iPhone 8、iPhone 8 Plus和iPhone X——它們都支持Qi無線充電標(biāo)準(zhǔn)，目的是給用戶帶來更大方便，手機本身看起來也更酷。
基本原理
電磁感應(yīng)式
初級線圈一定頻率的交流電，通過電磁感應(yīng)在次級線圈中產(chǎn)生一定的電流，從而將能量從傳輸端轉(zhuǎn)移到接收端。目前最為常見的充電解決方案就采用了電磁感應(yīng)，事實上，電磁感應(yīng)解決方案在技術(shù)實現(xiàn)上并無太多神秘感，中國本土的比亞迪公司，早在2005年12月申請的非接觸感應(yīng)式充電器專利，就使用了電磁感應(yīng)技術(shù) [2] 。
磁場共振
由能量發(fā)送裝置，和能量接收裝置組成，當(dāng)兩個裝置調(diào)整到相同頻率，或者說在一個特定的頻率上共振，它們就可以交換彼此的能量，是目前正在研究的一種技術(shù)，由麻省理工學(xué)院(MIT)物理教授Marin Soljacic帶領(lǐng)的研究團隊利用該技術(shù)點亮了兩米外的一盞60瓦燈泡，并將其取名為WiTricity。該實驗中使用的線圈直徑達到50cm，還無法實現(xiàn)商用化，如果要縮小線圈尺寸，接收功率自然也會下降。
無線電波式
這是發(fā)展較為成熟的技術(shù)，類似于早期使用的礦石收音機，主要有微波發(fā)射裝置和微波接收裝置組成，可以捕捉到從墻壁彈回的無線電波能量，在隨負(fù)載作出調(diào)整的同時保持穩(wěn)定的直流電壓。此種方式只需一個安裝在墻身插頭的發(fā)送器，以及可以安裝在任何低電壓產(chǎn)品的“蚊型”接收器。
主流技術(shù)
主流的無線充電標(biāo)準(zhǔn)有五種：Qi標(biāo)準(zhǔn)、Power Matters Alliance(PMA)標(biāo)準(zhǔn)、Alliance for Wireless Power(A4WP)標(biāo)準(zhǔn)、iNPOFi技術(shù)、Wi-Po技術(shù)。
1、Qi標(biāo)準(zhǔn)
Qi是全球首個推動無線充電技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化組織--無線充電聯(lián)盟(Wireless
無線充電示例 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Qi的標(biāo)識，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、相機、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。
市場比較主流的無線充電技術(shù)主要通過三種方式，即電磁感應(yīng)、無線電波、以及共振作用，而Qi采用了最為主流的電磁感應(yīng)技術(shù)。在技術(shù)應(yīng)用方面，中國公司已經(jīng)站在了無線充電行業(yè)的最前沿。據(jù)悉，Qi在中國的應(yīng)用產(chǎn)品主要是手機，這是第一個階段，以后將發(fā)展運用到不同類別或更高功率的數(shù)碼產(chǎn)品中。
2、Power Matters Alliance標(biāo)準(zhǔn)
Power Matters Alliance標(biāo)準(zhǔn)是由Duracell Powermat公司發(fā)起的，而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力。除此以外，Powermat還是Alliance for Wireless Power(A4WP)標(biāo)準(zhǔn)的支持成員之一。
已經(jīng)有AT&T、Google和星巴克三家公司加盟了PMA聯(lián)盟(Power Matters Alliance縮寫)。PMA聯(lián)盟致力于為符合IEEE協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)的手機和電子設(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。
Duracell Powermat公司推出過一款WiCC充電卡采用的就是Power Matters Alliance標(biāo)準(zhǔn)。WiCC比SD卡大一圈，內(nèi)部嵌入了用于電磁感應(yīng)式非接觸充電的線圈和電極等組件，卡片的厚度較薄，插入現(xiàn)有智能手機電池旁邊即可利用，利用該卡片可使很多便攜終端輕松支持非接觸充電。
3、A4WP標(biāo)準(zhǔn)
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)對話機制。
4、iNPOFi技術(shù)
iNPOFi(“invisible power field”，即“不可見的能量場”)無線充電是一種新的無線充電技術(shù)。其無線充電系列產(chǎn)品采用智能電傳輸無線充電技術(shù)，具備無輻射、高電能轉(zhuǎn)化效率、熱效應(yīng)微弱等特性。
iNPOFi智能無輻射技術(shù)與現(xiàn)有其他的無線充電技術(shù)相比，iNPOFi沒有輻射，采用電場脈沖模式，不產(chǎn)生任何輻射，中國泰爾實驗室測試結(jié)果顯示，輻射增加值近乎零。 在高效方面，泰爾試驗室還測定，該技術(shù)的產(chǎn)品，充電傳輸效率高達90%以上，徹底改變了傳統(tǒng)無線充電最高70%以下電轉(zhuǎn)換低效率問題。
在智能管理方面，采用芯片適配管理技術(shù)，其中包括：自動開啟、關(guān)閉充電過程;自動適配需要的電壓、電流，管理充電過程，以確保較高的充電效率;并可以使用一個統(tǒng)一的充電板，為任何品牌、型號的電子產(chǎn)品，進行安全、便利、高效的充電。 在安全性方面，同時考慮到了各種弱電充電中的安全性問題，如靜電ESD保護、防過充、防沖擊等等，甚至若受電設(shè)備自身電源管理出現(xiàn)問題時，可以通過inpofi芯片自動熔斷保護電子設(shè)備不被損壞。
值得一提的是，對于智能設(shè)備廠商而言，inpofi以一顆極小的芯片為核心，實現(xiàn)了超微化設(shè)計，僅有1/4個五毛硬幣大小，可以方便的集成到任何設(shè)備中，也可以集成到各種形態(tài)的可穿戴設(shè)備中。這是傳統(tǒng)電磁原理的產(chǎn)品無法達到的。
iNPOFi技術(shù)作為新一代無線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，高效、綠色、便捷、經(jīng)濟。采用該技術(shù)的充電設(shè)備包含電源發(fā)射裝置和電源接收裝置兩部分，發(fā)射裝置大小、薄厚與普通手機相當(dāng)，接收裝置嵌入手機保護套中，將手機套上保護套，平放在發(fā)射裝置上進行充電。充電過程中，手機不需要插上任何連接線。相關(guān)檢測顯示，充電過程中電磁輻射為零，電能效率轉(zhuǎn)換達94.7%，接近有線充電。充電設(shè)備支持低電壓供電，兼容普通USB供電;實現(xiàn)低溫充電，有效保障設(shè)備及電池的使用安全及壽命。
5、Wi-Po技術(shù)
Wi-Po技術(shù)，為Wi-Po磁共振無線充電技術(shù)，利用高頻恒定幅值交變磁場發(fā)生裝置，產(chǎn)生6.78MHz的諧振磁場，實現(xiàn)更遠的發(fā)射距離。
該技術(shù)通過藍牙4.0實現(xiàn)通訊控制，安全可靠，并且可以支持一對多同步通信，同時還具有過溫、過壓、過流保護和異物檢測功能。該技術(shù)由于使用的載體為空間磁場，能量不會像電磁波那般發(fā)射出去，所以不會對人體造成輻射傷害。
Wi-Po磁共振無線充電可應(yīng)用于手機、電腦、智能穿戴、智能家居、醫(yī)療設(shè)備、電動汽車等各種場景。
無線充電產(chǎn)業(yè)鏈
無線充電產(chǎn)業(yè)鏈分為接收和發(fā)射兩個部分，接收端上下游產(chǎn)業(yè)鏈分為芯片、磁性材料、傳輸線圈、模組制造、系統(tǒng)集成。而發(fā)射端分為：芯片、線圈模組、方案設(shè)計。
接收端芯片與系統(tǒng)集成設(shè)計環(huán)節(jié)技術(shù)壁壘高、利潤高(大概各占無線充電產(chǎn)業(yè)鏈利潤的30%)，主要客戶是手機終端。發(fā)展?fàn)顟B(tài)與三年前指紋識別非常類似，只有IDT一家有過出貨經(jīng)驗，博通是給蘋果公司官方定制，而其他包括TI、高通在內(nèi)都沒能抓住產(chǎn)業(yè)的第一波爆發(fā)機會，未能打入任何一家手機廠商的供應(yīng)鏈 [4] 。相反，國內(nèi)一批掌握高尖端技術(shù)的創(chuàng)業(yè)公司和上市公司提前布局，在手機接收端市場初現(xiàn)端倪，搭載國產(chǎn)芯片的品牌手機已有面市金立手機M7 Plus選用的便是國產(chǎn)品牌的無線充電方案。
在發(fā)射端芯片環(huán)節(jié)，參與廠商眾多，分化出不同的層級。一線的無線充電器廠商，如Mophie、Belkin、澤寶等一般更看重定頻、FOD異物檢測功能，以及快充等性能，品牌NXP、IDT和國內(nèi)少數(shù)主打高端市場的芯片廠商往往成為其首選。在主打性價比的品牌中，國外的芯片因為其居高不下的價格很難占據(jù)一席之地，反而國內(nèi)的一批芯片廠商市場占有率很高，當(dāng)然這一市場的競爭也非常激烈。
優(yōu)點
1、利用無線磁電感應(yīng)充電的設(shè)備可做到隱形，設(shè)備磨損率低，應(yīng)用范圍廣，公共充電區(qū)域面積相對的減小，但減小的占地面積份額不會太大。
2、技術(shù)含量高，操作方便，可實施相對來說的遠距離無線電能的轉(zhuǎn)換，但大功率無線充電的傳輸距離只限制在5米以內(nèi)，不會太遠。
3、操作方便。
缺點
1、雖然設(shè)備技術(shù)含量不高，但設(shè)備的經(jīng)濟成本投入較高，維修費用大。
2、因?qū)崿F(xiàn)遠距離大功率無線磁電轉(zhuǎn)換，所以設(shè)備的耗能較高。隨著無線充電設(shè)備的距離和功率的增大，無用功的耗損也就會越大。
3、無線充電技術(shù)設(shè)備本身實現(xiàn)的是二次能源轉(zhuǎn)換，也就是將網(wǎng)電降壓(或直接)變?yōu)橹绷麟姾笤谶M行一次較高頻率的開關(guān)控制交流變換輸出。由于大功率的交直交電流轉(zhuǎn)換是進行電能的二次性無線傳輸原因，所以電磁的空間磁損率太大。