2018年04月10日 | 无线充电技术正在快速发展

作者：贸泽电子Mark Patrick

1894年，尼古拉·特斯拉（Nikolai Tesla）在纽约的实验室里为充满惊讶的观众展示了无线功率传输：跨过房间通过无线为电灯供电，仿佛是魔法一般。

虽然他的发现引起了极大的兴趣，但在接下来的一个世纪中，无线功率传输仍然只局限于一些非接触充电的小众应用，例如心脏起搏器电池、电动牙刷和剃须刀等。

在大多数电子产品体积笨重，可移动性差，且电池技术很落后的情况下，业界对无线充电的需求并不大。但随着体积小巧、功能强大且永远在线的移动设备的出现，终于为无线充电创造了真正的应用需求，而特斯拉的发明也重新得到人们的关注。

无线充电的优势

无线充电为用户提供的便利性显而易见，但其优点远不只是避免了使用电缆带来的麻烦，由于无线充电有望使设备制造商最终去除所有的外部连接器，这种无线技术能够使设备更便宜、更轻薄和更可靠。连接器插座有许多缺点，容易受到污垢和水等污染，易招致物理损坏，且占用空间，影响产品的美观性，并增加制造成本。

可以说，目前手机上仍然保留一个USB或类似连接器的真正重要原因是处于供电考虑，而不是数据。苹果在最近发布的iPhone手机上一个有争议的决定是去除耳机插孔，这似乎是一个警告，预示着其他常见移动设备连接器消失的时间也指日可待。

无线充电的原理

目前大多数无线充电技术都依赖于磁感应原理。简单地说，这种技术将变压器一侧的线圈放置在设备中，而变压器的另一侧线圈则放置在充电器中。当两个线圈非常靠近在一起时，充电器可以产生一个磁场，并在耦合的设备中感应出一个电流。这是一种近场非辐射技术，其实际作用距离非常短，约为1厘米，穿透障碍的能力较差，厚度只有几毫米多。

现代设备越来越多地使用谐振电感耦合，这是特斯拉在一个世纪前发明的一种技术。通过调谐两个线圈到相同的频率进行谐振，能够改善普通磁感应的性能，这种技术改进能够实现更高的效率，可以使实际作用距离显著提高到几厘米，对于阻挡材料也具有更好的穿透性，并可大大提高同时为多个设备充电的能力。

特斯拉无线充电技术的一种竞争方案是电容耦合，这种技术采用类似的原理，但基于电容器而不是变压器。尽管电容耦合的有关研究仍在继续，但最近似乎已被基于磁感应技术的发展势头所掩盖。此外，业界也有一些通过射频辐射甚至超声波等其他方法进行无线功率输送的研发。

一般来说，在一个可充电设备放置在有效作用范围内时，高效且方便的充电系统必须能够检测到其存在，这样可以避免浪费电能并将功率有效地导向一个或多个设备。此外，充电器还需要能够检测到其他干扰性的金属物体（如珠宝、钥匙和不兼容设备），并避免向其提供无线功率，从而避免使其加热和损坏（实际上，磁感应式厨房电磁炉即是利用相关原理来烹调食物）。感应装置可以通过定期以较低的功率“扫描”其附近，并通过使用多个线圈以确定方向来实现上述这些目标。实际上，现代通用无线充电规范包括了双向数据传输，能够与其客户端设备进行通信以实现最佳的充电效果和安全性。

无线充电标准

几年来，移动设备的无线充电一直是不同竞争标准之间的混战，但这场争斗似乎已接近尾声。在过去的三年中，Qi标准已经成为移动设备无线充电的明显领导者，该标准由无线充电联盟（Wireless Power Consortium，WPC）开发和推广，该联盟的成员包括三星、高通、德州仪器、苹果、索尼、LG、飞利浦和博世等为数众多的重要技术公司。

去年，苹果通过在iPhone 8和iPhone X中整合Qi标准，显示出对该标准非常有影响力的支持，这是苹果公司早先不愿意采用无线充电方案的逆转。宜家（Ikea）通过在一系列家具和台灯上内置无线充电器，也展现了对于Qi标准的支持，这些产品已推出大约三年。汽车制造商现在也在将充电器集成到汽车。

Qi标准的最新版本是基于谐振电感耦合技术。目前大多数设备都使用Qi低功率规范，可提供高达5W的功率，适于为手机、智能手表、可穿戴设备和其他小型设备充电。目前用于Qi新一代中等功率规范的设备也可以提供，可实现高达15W的功率，具有更快的充电速度，适用于笔记本电脑等较大的设备充电。Qi标准的更高功率标准正在开发中，能够提供120W到1kW的功率。

苹果公司的AirPower技术虽然在2018年之前不会发布，但这种技术似乎是Qi标准的延伸，其主要改进是能够同时为三个设备充电。该技术巨头正在游说将AirPower技术提升为主流Qi标准的一部分。

Qi标准最突出的竞争对手来自AirFuel联盟（AirFuel Alliance），这是2015年无线功率联盟（A4WP）和Power Matters Alliance（PMA）合并成立的新组织，该组织的技术包括Rezence（磁共振充电技术）和PMA（感应充电）标准。然而，尽管两个机构已经合并，AirFuel联盟在无线充电市场与WPC Qi标准的竞争中似乎已经接近认输。例如，该组织中的联合创始企业和其中最知名的制造商Powermat Technologies最近宣布，其新款充电器将获得软件升级以支持Qi标准。Powermat在美国的零售行业拓展方面取得了成功，其充电垫被安装在众多的星巴克咖啡店和其他场合。

未来需要的工作

尽管无线充电与有线充电相比具有许多优势，但值得关注的是在几个领域内无线充电仍有改进的空间。毫不奇怪，无线充电的效率远远低于有线连接，典型的功率损耗约为20％至40％，至少对于低功率的移动设备而言，这些损耗导致的成本可以忽略不计，并且未来还有进一步提高效率的可能。

与人们的直觉相反，目前的无线充电技术可能无法在各种情况下都能够提高易用性。例如，平放在固定充电板上的手机可能不便于操作，而连接到充电缆线的手机则可以比较容易地边充电边使用，这个问题可以通过进一步改进谐振感应技术来解决。初创公司Pi Inc.最近演示了一项令人印象深刻的波束成形无线充电技术，该技术与Qi标准兼容，它的充电器允许多个设备在30厘米距离范围内同时充电。

虽然无线充电技术通过取代笨拙的外部插座为制造商提供了巨大的利好，但也确实带来了更多需要考虑的因素。支持无线充电的手机通常需要采用玻璃或塑料背壳，因为金属外壳会严重降低无线充电性能。但非金属外壳还有另外一个优势，即能够使近场通信（NFC）等无线数据传输技术具有更好的性能。

总体来说，无线充电的缺点都是相对微不足道的，随着实现更高的功率水平和充电器功能的其他进步，通过增加无线充电基础设施的建设，并且随着用户对无线充电技术的更加熟悉而导致使用习惯的改变，这些缺点很可能得到解决。120年后，特斯拉的愿景正在成为现实。