无线充电详解：它是什么以及它如何工作？

无线充电自 19 世纪末就已出现，当时电力先驱尼古拉·特斯拉展示了磁共振耦合技术，即通过在两个电路（发射器和接收器）之间产生磁场来通过空气传输电力的能力。

但大约 100 年来，这项技术并没有太多实际应用，除了少数几种电动牙刷型号。

如今，已有近六种无线充电技术投入使用，这些技术的目的都是为了摆脱智能手机、笔记本电脑、厨房用具和汽车等各种设备的线缆束缚。

无线充电正在医疗保健、汽车和制造业中取得进展，因为它有望提高移动性并带来进步，使微型物联网 (IoT) 设备能够在距离充电器数英尺的地方获得电力。

或者

目前最流行的无线技术依赖于两个铜线圈之间的电磁场，这极大地限制了设备与充电板之间的距离。这就是苹果在 iPhone 8 和 iPhone X 中采用的充电类型。

无线充电的工作原理

IHS Markit 研究经理 David Green 表示，广义上讲，无线充电有三种类型。一种是使用紧密耦合电磁感应或非辐射充电的充电板；一种是使用松散耦合或辐射电磁谐振充电的充电碗或表面式充电器，可以将电荷传输到几厘米远；还有一种是非耦合射频 (RF) 无线充电，可以在几英尺的距离内实现涓流充电。

紧密耦合的感应充电和松散耦合的谐振充电都遵循相同的物理原理：时变磁场在闭合的导线环路中感应出电流。

宜家

其工作原理如下：磁环天线（铜线圈）用于产生振荡磁场，该磁场可在一个或多个接收天线中产生电流。如果添加适当的电容，使环路以相同频率共振，则接收器中的感应电流量会增加。这就是谐振感应充电或磁共振；它使发射器和接收器之间能够以更远的距离传输电力并提高效率。线圈尺寸也会影响电力传输的距离。线圈越大或线圈越多，电荷可以传输的距离就越大。

例如，对于智能手机无线充电板，铜线圈的直径只有几英寸，严重限制了电力有效传输的距离。

但当线圈更大时，更多的能量可以通过无线方式传输。这就是 WiTricity 所采用的策略，WiTricity 是一家十年前在麻省理工学院的研究中成立的公司，它帮助开创了这项策略。该公司授权松耦合谐振技术用于从汽车、风力涡轮机到机器人等各种领域。

2007 年，麻省理工学院物理学教授马林·索尔贾契奇 (Marin Soljačić) 证明他可以在两米的距离内传输电力；当时，电力传输效率只有 40%，这意味着 60% 的电力在传输过程中损失。索尔贾契奇于当年晚些时候创立了 WiTricity，将这项技术商业化，从那时起，其电力传输效率已大大提高。

在 WiTricity 的汽车充电系统中，大型铜线圈（接收器直径超过 25 厘米）可在长达 25 厘米的距离内实现高效电力传输。WiTricity 首席技术官 Morris Kesler 表示，使用共振技术可以传输高功率（高达 11kW）和高效率（端到端效率超过 92%）。WiTricity 还在导电环路中添加了电容器，这增加了可捕获并用于给电池充电的能量。

该系统不仅适用于汽车：去年，日本机器人制造商Daihen Corp.开始运送无线电力传输系统基于 WiTricity 的自动导引车 (AGV) 技术。配备 DaihenD-Broad 无线充电系统只需将车停在充电区充电，即可开始执行仓库职责。

虽然远距离充电具有巨大的潜力，但无线充电的公开面貌至今仍停留在充电板的层面上。

IHS Markit

“从进展和行业准备程度来看，充电板自 2015 年以来就已开始批量出货；充电碗/表面式充电今年才刚刚推出；而跨房间充电可能还需要至少一年的时间才能实现商业化批量充电——尽管新的 Energous 产品显示这种方法目前在非常短的范围内有效，例如几厘米，”Green 表示。

2016 年，支持无线充电的设备出货量刚过 2 亿台，几乎所有设备都采用了某种形式的感应式（充电板）设计。

在九月，在采用 WPC 的 Qi 标准方面，诺基亚多年来一直落后于其他手机制造商，而三星和其他 Android 智能手机制造商至少两年来一直在使用相同的标准。

第一类移动设备无线充电器出现于大约六年前；它们采用紧密耦合或感应充电，这要求用户将智能手机放在充电板上的精确位置才能进行充电。

Navigant Research 首席分析师本杰明弗里斯 (Benjamin Freas) 表示：“在我看来，直接把电池对准充电位置并不会比直接插上电源节省太多力气。”

弗里亚斯表示，虽然早期采用者和技术人员接受了感应充电，但其他人却没有。

贝尔金/IDG

2012 年 9 月，诺基亚 920 成为第一款基于 Qi 规范提供内置无线充电功能的商用智能手机。

无线充电标准之争

多年来，有三个相互竞争的无线充电标准组织专注于感应和共振充电规范：无线充电联盟 (A4WP)、电力事务联盟 (PMA) 和无线充电联盟 (WPC)。后者的296 名成员名单其中包括苹果、谷歌、Verizon 以及知名的电子制造商。

WPC 制定了最受欢迎的无线充电标准 — Qi（发音为“chee”），该标准支持感应式或垫式充电以及短距离（1.5 厘米或更短）电磁谐振感应充电。Apple 正在使用 Qi 标准。

PMA 及其 Powermat 感应充电规范通过在咖啡店和机场试行其无线充电技术取得了成功。例如，星巴克于 2014 年开始推出无线充电板。

由于标准相互竞争，对移动设备的支持仍然分散，大多数移动设备需要自适应外壳才能实现无线充电。

2015 年，A4WP 和 PMA来形成空气燃料联盟目前该联盟拥有 110 名成员，其中包括戴尔、金霸王、三星和高通。

PMA/星巴克

作为 AirFuel Alliance 的一部分，Duracell Powermat 声称其在美国拥有 1,500 多个充电点，并通过 Powermat 的合作伙伴 PowerKiss 在欧洲机场、酒店和咖啡馆拥有 1,000 个充电点。AirFuel 还宣布在一些麦当劳餐厅提供无线充电。据 Freas 称，这是无线充电得到更广泛采用的一种方式。

AirFuel 专注于电磁谐振和射频

AirFuel 专注于两种充电技术：电磁谐振和射频，这使得您可以在空间内移动并且仍能为移动设备充电。

“我们已经看到明确的市场指标，表明谐振和 RF 是未来的发展方向。这两种技术在空间自由度、易用性和安装方便性方面都具有独特的优势，这些是创造市场价值和客户满意度的重要因素，”AirFuel 发言人 Sharen Santoski 表示。“我们相信谐振是近期实现广泛公共基础设施部署的最佳技术。”

因此，桑托斯基表示，越来越多的咖啡店、餐馆和机场都部署了基于谐振的无线充电站。“台湾正在大力投资，中国也是如此，”桑托斯基说。

AirFuel 最近宣布与桃园机场捷运合作，在其列车和车站中采用谐振充电技术。家具制造商 Order Furniture 也推出了一系列支持谐振充电技术的家具。

弗里亚斯说：“如果每家餐馆和咖啡店都有这种设备，那么人们就更有可能使用它并在家里买一个充电板。”

弗里亚斯表示，这些项目中的大多数仍然只是试点项目，并补充说，消费者和企业不太可能需要紧密耦合的充电，而更有可能选择松耦合的谐振充电，这是因为松耦合充电提供了更多的空间自由——只需将手机、平板电脑或笔记本电脑放在桌面上即可进行充电。

WiTricity 和车辆无线充电

7 月份，戴尔发布该充电器采用了 WiTricity 的谐振无线充电技术，WiTricity 是一家总部位于马萨诸塞州沃特敦的公司，该公司授权使用最初由麻省理工学院 (MIT) 开发的技术。戴尔无线充电器可提供高达 30W 的充电功率，因此 Latitude 笔记本电脑的充电速度与插入墙上插座的充电速度相同。

但 WiTricity 的主要关注点是汽车行业。WiTricity 首席执行官亚历克斯·格鲁森表示，该公司是 AirFuel Alliance 的成员，预计许多电动汽车制造商将宣布为其汽车提供无线充电。

该公司的电磁谐振技术允许电力传输到距离充电板约九英寸的地方。这样一来，电动汽车只需停在大型充电板上即可充电。

例如，梅赛德斯-奔驰今年将推出 S550e 插电式混合动力轿车通过使用 WiTricity 的技术，S550e 可以简单地停在充电桩上，然后开始充电，充电效率甚至比插入电源时更高。

无线充电联盟

凯斯勒表示，电动汽车应用是为电磁谐振充电量身定制的。这是因为汽车不需要充电线，而无线充电板比充电线更有效地传输电力。（凯斯勒表示，有线充电系统使用电子设备将交流电转换为直流电并调节电流，将效率降低至约 86%。）

凯斯勒表示：“我们的无线充电效率可达 93%（从墙壁到输送到电池的部分）。”

远距离无线充电

本月，苹果让一些行业观察人士大吃一惊，这是一家总部位于新西兰的公司，正在开发基于 Qi 规范的松散耦合谐振充电技术。

PowerbyProxi 成立于 2007 年，由企业家 Fady Mishriki 创立，是奥克兰大学的衍生公司。PowerByProxi 展示了可同时放置多台设备的充电盒和充电碗。

这家总部位于奥克兰的公司最初是销售用于建筑、电信、国防和农业行业的大型系统。风力涡轮机无线控制系统就是其中一款产品。

WPC 指导委员会成员 PowerByProxi 也将其技术小型化，并放入 AA 充电电池中，从而无需将该技术直接嵌入设备中。该无线技术仅占 AA 电池高度的 10% 左右。

苹果可以利用 PowerByProxi 的技术扩大无线充电的用途，不仅限于智能手机，还可以用它来为电视遥控器、电脑外围设备或任何需要电池的设备充电。

虽然无线充电技术最明显的用途是在移动设备充电板上，但该技术也正在进入从仓库机器人到微型物联网设备等所有领域，这些设备原本需要连接线或由可更换电池供电。

Ossia 和已经展示了 15 英尺以外的无线充电。Ossia 的充电器可以发送大约 2 瓦的功率，距离可达几英尺，但随着距离的增加，功率会迅速下降。然而，即使在 30 英尺的距离，可以传输的功率量也是“有意义的”，Ossia 首席执行官 Mario Obeidat 表示，他暗示使用涓流供电设备以保持电量。

马克·哈克曼

“假设我每天在办公室待 8 到 10 个小时，我获得的功率为半瓦或一瓦；它一直在为我的设备充电，”奥贝达特说。“所以，如果要花五个小时才能给设备充满电，那也没关系，因为你一直都在那里。”

私募股权和风险投资公司 Sorenson Capital 的董事总经理 Rob Rueckert 在早些时候接受采访时表示：“我使用过 Ossia 和 Energous，这些技术非常有效。”计算机世界。

鲁克特认为，远距离充电是一种比充电板甚至充电盒更有吸引力的技术，因为后者仍然需要移动设备与充电源相对紧密地连接。

电源管理

Energous 的 WattUp 和 Ossia 的 Cota 移动设备充电系统都类似于无线路由器，发送射频 (RF) 信号，可由启用的可穿戴设备和移动电话接收。 PCB 板形式的小型 RF 天线、ASIC 和软件构成了无线电源接收器。

Cota 电力发射器使用尺寸约为 4x4mm 的多天线管理芯片，可构建到各种外形尺寸的设备中，包括天花板瓷砖、桌子、书桌、玻璃、电视和汽车仪表板等。

发射器可自动检测支持 Cota 的设备，并包含一个温度传感单元以防止过热。

“我们称之为真正的无线充电，”奥贝达特说。“我们的技术与市场上其他技术（如 Qi）的区别在于，我们可以远程提供有意义的电力。其他技术要求你将设备放在充电板上。因此，实际上你必须放下设备才能充电。”

Obeidat 还声称 Cota 充电可以穿墙，就像 Wi-Fi 路由器一样。

“我们的技术是不可知的。你可以想象在房间里有一个发射器，它可以同时为智能手机、平板电脑或智能手表供电，”奥贝达特说。

Ossia 一直在零售货架上的产品电子标签上试用其技术。这些标签可以告知购物者产品的详细信息或销售情况，而无需工作人员放置实物标志或更改价格标签。

虽然有些人对远距离传输几瓦电力的想法嗤之以鼻，但投资者们却认真对待了这个想法。例如，总部位于加州普莱森顿的 AirFuel 成员 Energous 在 2014 年上市时筹集了约 2500 万美元。

Energous 的 WattUp 充电器采用蓝牙无线通信规格。与 Ossia 的 Cota 技术一样，WattUp 能够发送的功率有限。因此，Energous 专注于为小型移动设备供电，而不是为需要更高容量的笔记本电脑或电池供电。

精力充沛

Energous 称，单个 WattUp 发射器最多可以为 24 台设备充电，所有设备均受软件控制，可启用或禁用充电。最大功率（4 瓦）只能同时为四台设备供电。随着更多“授权”设备进入房间，每台设备的充电量会下降。

采用远距离无线充电的一个潜在障碍是，Ossia 和 Energous 都无法为支持 Qi 的设备充电；该技术是专有的。

仅仅是开始

格林认为 Qi 和 Powermat 是一个很好的开端，但他强调这项技术并非完全无线。“Qi 开启了关于无线充电的讨论。现在迫切需要让消费者了解无线充电的可能性，”他说。

通过开始使用 Qi 充电垫，用户可以开始接受无线电源的前提，并且很快就会要求一种更加灵活、强大的解决方案：远距离供电，并可在充电时灵活地使用您的设备。

“有一点是明确的：在 2017 年，我们将不会看到一款设备提供房间内的全速无线充电，”格林说。“相反，充电有两个极端，一种是使用充电板以与有线相同的速度充电，另一种是使用非常慢的涓流充电，但距离较远。”