無線充電各種原理方案的比較 無線充電的技術瓶頸

無線充電各種原理方案的比較 無線充電的技術瓶頸

電子產品世界 發表於 2020-04-05 09:46:00

無線充電，由供電設備（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，並同時供其本身運作之用。由於充電器與用電裝置之間不用電線連接，因此充電器及用電的裝置都可以做到無導電接點外露，也徹底擺脫了因充電物理接口不一致帶來的煩惱。

無線充電也稱為無線電力傳輸（WPT），在一些消費級可穿戴產品中可謂是風靡一時，比如智慧型手機、智能手錶和健康手環等，但是這個創意本身已經存在一個多世紀的時間了。

無線充電技術的發展可以分為4個階段：

· 1890年，物理學家兼電氣工程師尼古拉·特斯拉就已經做了無線輸電實驗，實現了交流發電

· 2007年，麻省理工學院的研究團隊完成了可以實現最遠傳輸距離達到2.7m的實驗

· 2014年，戴爾加入A4WP陣營，代表著筆記本電腦的無線充電時代來臨

· 2017年，iphone加入無線充電大家庭，手機端的無線時代正式來臨

2017年9月蘋果發布會上提出The future is wireless

我們通常認為電和磁是相關聯的，所以在論及無線充電的原理問題上，大多還是基於電磁感應現象或者由此而衍生出來的。目前，實現無線電力傳輸主要有以下四種方式：

電磁感應方式

簡單地講，電磁感應方式即利用電流通過線圈產生磁場從而實現近場無線供電。展開來說，電磁感應充電的設備，類似於變壓器，在發送端（供電端）和接收端（受電端）各有一個線圈，發送端線圈連接有線電源產生磁場，接收端線圈感應發送端的磁場從而產生電流給用電設備。

在所有的無線充電產品中，基於電磁感應方式的最多，既有日用小家電比如電動牙刷、電動剃鬚刀、無繩電話，也包括智能終端如手機，PAD等。基於電磁感應方式的無線充電技術主要挑戰來自於充電設備擺放位置的苛刻要求、充電距離的局限性以及線圈感應產生的熱。

磁共振方式

磁共振式也稱為諧振式，由能量發送裝置，和能量接收裝置組成，當兩個裝置調整到相同頻率，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，其原理與聲音的共振原理相同，排列在磁場中的相同振動頻率的線圈，可從一個向另一個供電。

相比於電磁感應方式，其垂直距離得到了極大提高，而且也不需要嚴格對準；這些優勢激起了廣大公司的研發興趣，該技術被認為是將來最有希望廣泛應用於電動汽車無線充電的一種方式。目前，磁共振方式的無線充電面臨最大的挑戰就是產品的商業化。

電波方式

基於電波方式的無線充電技術，類似於早期使用的礦石收音機，主要有微波發射裝置和微波接收裝置組成，可以捕捉到從牆壁彈回的無線電波能量，在隨負載作出調整的同時保持穩定的直流電壓。此種方式只需一個安裝在牆身插頭的發送器，以及可以安裝在任何低電壓產品的「蚊型」接收器。這種方式給無線充電帶來了極大的自由度與便捷性。

電場耦合方式

電場耦合又稱靜電耦合或電容耦合，是由於分布電容的存在而產生的一種耦合方式。耦合是指信號由第一級向第二級傳遞的過程，是一種交流耦合。電場耦合包括信號或能量在電路的不同結點之間通過電容進行的傳遞。

電場耦合在能量方面的應用，就是無線充電原理的本質。在電場耦合的無線充電模式中，充電座和待充電電器不是通過高頻磁場來進行磁場的感應，而是直接通過兩者之間形成的電容中的高頻電場，這種充電方式具有成本低，對準要求低的優點。

電場耦合方式的構造簡單，只要是在供電臺規定的充電區域內，無論將產品放在什麼位置都可供電，可實現「位置自由（Free Positioning）」的供電。另外，由於可將電極減薄，因此具有容易嵌入產品等其他方式所沒有的特點。

無線充電各種原理方案的比較

無線充電技術的標準

實際上，目前的無線充電技術還不算成熟，不僅技術發展緩慢，標準也尚未統一。目前主流的無線充電標準有三種：Power Matters Alliance（PMA）標準、Qi標準、Alliance for Wireless Power（A4WP）標準。不同標準的充電設備的不能互充。下面我們就針對這三種標準進行簡單介紹。

PMA標準

PMA標準，即Power Matters Alliance，是由Duracell Powermat公司發起的。PMA採用基於電磁感應方式的無線充電技術，致力於為符合IEEE協會標準的手機和電子設備，打造無線供電標準，在無線充電領域中具有領導地位。除此以外，Powermat還是Alliance for Wireless Power（A4WP）標準的支持成員之一。

目前已經有AT&T、Google和星巴克三家公司加盟了PMA聯盟（Power Matters Alliance縮寫）。目前Duracell Powermat公司推出過一款WiCC充電卡採用的就是Power Matters Alliance標準。

Qi標準

Qi標準無線充電聯盟發起的，無線充電聯盟（Wireless Power Consortium， WPC）是全球首個推動無線充電技術的標準化組織。Qi採用了基於電磁感應方式的無線充電技術。

Qi聯盟成員數量最多，包括TI、飛利浦、HTC、諾基亞、三星、索尼愛立信、百思買等知名企業都已是聯盟的成員。不同品牌的產品，只要有一個Qi的標識，都可以用Qi無線充電器充電 —— 攻克了無線充電「通用性」的技術瓶頸，在不久的將來，手機、相機、電腦等產品都可以用Qi無線充電器充電，為無線充電的大規模應用提供可能。

A4WP標準

A4WP標準，即Alliance for Wireless Power標準，由美國高通公司、韓國三星公司以及前面提到的Powermat公司共同創建的。A4WP聯盟還包括Ever Win Industries、Gill Industries、Peiker Acustic和SK Telecom等成員。

A4WP採用了基於磁共振方式的無線充電技術，目標是為包括可攜式電子產品和電動汽車等在內的電子產品無線充電設備設立技術標準和行業對話機制。該無線充電聯盟將重點引入「電磁諧振無線充電」技術，與Qi的「電磁感應技術」有所區別，這兩種技術各有千秋。

Alliance for Wireless Power（A4WP）和Power Matters Alliance（PMA）兩大無線充電技術聯盟現已合併。合併後的聯盟更名為AirFuel Alliance（AFA）。新名稱標誌著兩大集團將努力攜手共進，儘快將智慧型手機和平板電腦的無線充電解決方案標準進行統一，共同與Wireless Power Consortium （WPC）的Qi無線充電標準相競爭。

各無線充電標準比較

無線充電市場不僅僅局限於手機

2012年諾基亞發布了第一個支持無線充電的手機Lumia810，從2015年開始，各消費電子巨頭紛紛推出具有無線充電功能的產品：蘋果推出apple watch、三星推出gear watch、S6/S6edge、S7/S7edge等。崇尚自由無束縛是人類的天性，現階段人們已經解決了數據傳輸的無線化，供電的那根線也一直成為人們攻克的那個目標，無線充電正好提供了一個契機。手機終端的無線充電其實只是行業前菜。

預計到2024年，支持無線充電的智慧型手機每年出貨量將超過12億臺。全球無線充電市場在2016年的市場規模約34億美元，預計到2022年會增長至140億美元，年均增長率達27%。

隨著物聯網、可穿戴和可攜式設備的發展，消費者開始厭倦雜亂的電纜和需要頻繁充電的電池。人們對無線世界的嚮往，將會導致無線充電市場出現急劇增長。除運用於手機之外，無線充電技術還將用於智能手錶、平板電腦等諸多消費電子終端產品，市場空間均可達數十億元規模，潛力巨大。

無線充電在某些特定的地點也可以充分發揮了它的優勢，比如物流行業。現階段阿里菜鳥、京東物流甚至美團都已經宣布了他的無人化戰略，推廣自動物流、自動配送。無線通信已經可以完成對數據的無人化採集，但是供電這塊還是一個痛點，如果在倉庫裡面我們還要通過人力或者其他方式給機器人進行排隊充電，這個是非常不方便的。

那如果帶上無線充電，在固定行徑的路線或者固定停留的站點，使用無線充電，將充電和供電結合在一起，將人力徹底解放出來，進行機器自我管理，將極大方便倉儲成本，降低倉儲費用。

除消費電子之外，新能源汽車是無線充電應用的另一廣闊市場。無線充電安全性高、受天氣影響小、節省道路空間，因此和充電樁相比更適宜運用於電動汽車；同時充電站、充電樁等設備的建設速度也難以跟上電動汽車增長速度，成為制約電動汽車發展瓶頸，因此無線充電將對電動汽車推廣起到重要促進作用。

無線充電的技術瓶頸

無線充電技術在全球範圍內尚未能形成一個通用的標準，不同運營商的終端供電參數不同，造成無線充電技術只能在局部地區、部分產品中應用。不同無線充電標準帶來的不兼容性，是其發展的一個主要障礙。各標準成員經過多年的混戰，目前也趨向融合。

PMA聯盟的發起者Powermatt也是A4W聯盟P的發起者之一；A4WP聯盟發起成員高通、三星已經加入與之對立的Qi無線電源聯盟；TI同時使Qi與A4WP聯盟的成員 —— 相信不久的未來，充電標準走向統一是必然的趨勢。

既然無線充電技術早已有之，除了缺乏統一標準外，為什麼直到今天還沒有廣泛應用到日常生活中？因為在當前科學技術條件下，還有許多難題需要解決。

1.充電距離短：無線充電的發送裝置和接收裝置相隔不能太遠，在1～2米的距離內還能起到較為滿意的效果，但一旦距離拉長，能量的衰減將十分嚴重。

2.電能轉換功率低：無線充電能量的損耗較大，傳輸效率不高，極易造成電能的浪費。無線充電器的轉化率目前最高只能達到85%，而且隨著距離的增大，損耗將更大。

3.易遭幹擾：傳輸電能的無線電波易遭幹擾，電磁共振技術也容易出現幹擾和互擾，不僅寄生電容和外部磁場，甚至連接受設備都能干擾到充電磁場，從而影響充電效率。

4.有輻射：雖然有關專家認為電磁輻射對健康不構成威脅，但是電磁波對人體的影響很複雜，需要長期的數據積累，這個過程就好比人們花了幾十年時間才確認二手菸會致癌一樣。

此外，無線充電由於技術含量高，經濟成本投入較大，造價遠高於目前廣泛使用的有線充電和萬能充電器，所以，無線充電技術要想「飛入尋常百姓家」還需要很長的路要走。

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