无线充电技术的发展和应用

李冰冰

（山东省科学技术协会学会服务中心，山东 济南 250001）

随着科技技术的高速发展和电子设备的广泛应用，我们的工作和生活越来越多的依赖于电子设备，我们习惯了数据线充电，也常常因为线不够长而感到烦恼。可曾设想，有朝一日所有电子设备无需电源线，可以使用无线充电技术，随时随地，自由充电。

无线充电技术，又称为感应充电、非接触式充电，是源于无线电力输送技术产生的一种新型充电技术。无线充电技术利用近场感应，由无线充电器将能量传送至需充电设备，该设备使用接受到的能量对电池进行充电，且为设备本身的运作提供能量。由于无线充电器与充电设备之间通过电感耦合来传送能量，因此无需电线连接，可以做到无导电接点外露。无线充电分为电场耦合与磁场耦合两类。分别对应的能量传输器件为电容和电感。

电场耦合方式的无线充电技术，发射器与接收器分别安装两个(或两组)独立的电容极板，当发射器与接收器靠近时，两组电容极板形成了两个电容。电容中通以高频、高压交变电流，便可实现电能从发射侧到接收侧的传输。充电器或“发送器”和便携式设备或“接收器”用来有效地在组成电容的合适尺寸金属表面间实现纵向的准静电耦合。其中驱动电极或主动电极要比另外一个电极小，上面施加的电压较高，另外一个电极则是被动电极，尺寸较长，上面的电压较低。当然正常情况下，电容传输的能量是很小的，这与电极面积小有很大的关系。因此，为了满足给消费设备充电所需的功率水平(例如从5W 至25W)，需要增加电极尺寸和耦合的电压值，具体取决于实际的配置。

为了实现耦合电极之间的无线收发、同时尽量减小对外的辐射量，需要进行正确地设计。因此需要进一步理解和确定正确的电极尺寸、它们的设计、工作电压、功率 值、最佳工作频率和总的尺寸约束条件。一般情况下，理想的频率范围在200kHz 至1MHz 之间，有效耦合区的电压值在800V 至1.52kV 之间。

手机无线充电、电动汽车无线充电技术更多的采用磁场耦合原理设计，其能量传输媒介为电感。在发射器与接收器上分别安装一个平面线圈电感。

磁场耦合原理的无线充电技术，更接近于常规的谐振式开关电源。相对于电场耦合来讲，技术难度较小，优势比较明显，发展速度较快。目前已经形成三个影响力较大的联盟组织WPC，A4WP 以及PMA，各自拥有会员多达几十甚至上百家公司。其中，WPC 与PMA 致力于近距离无线充电技术，如我们比较熟悉的手机无线充电。而A4WP 的技术定位在远距离无线能量传输，希望能够实现几十厘米甚至几米等级的传输距离。

无线充电代表了充电技术上的一次重大变革。无线充电使用户摆脱线缆的束缚，只需要把设备放在无线充电板(charging pad)上面就可以进行充电。无线充电技术已经广泛应用到了电动牙刷、电动剃须刀、无线电话、智能手机、电动汽车等领域。

比亚迪早在2005 年12 月就申请了非接触感应式充电器专利，利用的就是电磁感应来进行无线充电。比亚迪卖给犹他大学一辆纯电动巴士，这款巴士装配着最新的wave 无线充电垫。司机将巴士停在充电垫上，经历数分钟的等待就能充满电。德国、日本等国也十分积极。在德国慕尼黑，早就开始进行家用无线充电的测试。日本丰桥技术科学大学在研究能够透过20 厘米厚的混凝土砖块将电力传输给汽车的道路充电装置。2011 年，搭载了无线充电功能的诺基亚手机问世。

世界最大的家具制造商宜家宣布，将生产销售支持无线充电功能的家具，第一批可以给支持无线充电的智能手机或其他移动设备充电的家具预计也在2015 年即将上市。三星手机2015 年3 月份公布的热门机型Galaxy S6 支持无线充电。

无线充电技术近年发展迅速，但也遇到了很多技术难题，如提高充电效率、降低成本、有效充电距离太短。除了技术问题，眼下最棘手的是不同生产商的标准不一致，这就必须统一规范标准。否则，各厂商的设备无法兼容，会造成无线充电设备的浪费。目前主流的无线充电标准有三种：PMA 标准、Qi 标准、A4WP 标准。

PMA 标准全称Power Matters Alliance 是由Duracell Powermat 公司发起的，而该公司则是由宝洁与无线充电技术公司Powermat 合资经营，拥有比较出色的综合实力。除此以外，Powermat 还是Alliance for Wireless Power(A4WP)标准的支持成员之一。

目前已经有AT&T、Google 和星巴克三家公司加盟了PMA 联盟(Power Matters Alliance 缩写)。PMA 联盟致力于为符合IEEE 协会标准的手机和电子设备，打造无线供电标准，在无线充电领域中具有领导地位。PMA 偏向咖啡桌、家具等充电设备。其成员星巴克正在美国旧金山附近的200 家店面、1500 个点尝试提供无线充电服务。

Qi 标准是全球首个推动无线充电技术的标准化组织——无线充电联盟(Wireless Power Consortium,简称WPC)推出的“无线充电”标准，具备便捷性和通用性两大特征。市场上支持无线充电的智能手机和充电器大部分都符合“Qi”标准。不同品牌的产品，只要有一个Qi 的标识，都可以用Qi 无线充电器充电。它攻克了无线充电“通用性”的技术瓶颈，在不久的将来，手机、相机、电脑等产品都可以用Qi 无线充电器充电，为无线充电的大规模应用提供可能。Qi 采用了目前最为主流的电磁感应技术。203 个WPC 成员都支持Qi 标准，Qi 有超过5000 万个安装基地，认证过684 个产品。Qi 的无线充电方案已经安装在包括三星、诺基亚、谷歌、中兴品牌在内的超过72 款移动设备里。作为唯一提供汽车无线充电的标准，Qi 还支持了15 款已上市车型。在一些公共场所出现。阿姆斯特丹的德勤办公大楼里，每个工作区的桌子上都安装了Qi。1 月7 日，麦当劳刚刚宣布要在英国50 个门店中，增加采用Qi 标准的600 个无线充电热点。

A4WP 是Alliance for Wireless Power 标准的简称，由美国高通公司、韩国三星公司以及Powermat 公司共同创建的无线充电联盟创建。该联盟还包括Ever Win Industries、Gill Industries、Peiker Acustic 和SK Telecom 等成员，目标是为包括便携式电子产品和电动汽车等在内的电子产品无线充电设备设立技术标准和行业对话机制。该无线充电联盟将重点引入“电磁谐振无线充电”技术，与Qi 的“电磁感应技术”有所区别，这两种技术各有千秋。前者传输效率可能较低，但可以实现稍远距离的无线充电。后者需要近距离接触，例如将手机放在一个底座上，不用接线就可以通过感应充电，但这样充电效率较高。

A4WP 标准组成联盟希望让无线充电迅速普及，让用户在任何地方都可进行无线充电。或者说，A4WP 想要让无线充电便宜一些，并且在不增加手机、平板或者笔记本电脑体积的情况下增加充电接口，这意味着将有越来越多的制造商默认选择无线充电器。

在这三大标准中，A4WP 采用的是非接触式充电的磁共振技术，WPC 的“Qi”和PMA 采用的是磁感应技术。磁感应技术比较成熟，但应用场景受限；磁共振技术比较新，还未成熟，但是它将来应用的场景更广泛。

无线充电技术一直是智能终端行业的热点话题，消费者潜在需求巨大。美国市场研究机构近期发布的报告显示，全球无线充电市场未来5 年内将呈现井喷式增长，年复合增长率预计为57.6%。2011 年，无线充电市场的产值仅为4.57 亿美元，至2020 年，市场规模将达到150亿美元。相信在不久的将来，随着技术的进步，无线充电技术必将大大普及，并给我们的生活带来更快捷方便的体验。