無線充電從原理到技術之歷史的秘密解讀

不久前三星Galaxy S8發布，其亮點功能之一便是無線充電。同時蘋果已在Apple Watch上成功試水，使用了無線充電技術，據說，未來的ihone 8極有可能支持無線充電技術。

一般來說，人們每次要幫手機、電腦，或者其他各種電器充電時，總是要接一條充電線，充電線一多，還常常接錯，實在非常麻煩。

而使用「無線充電」的技術，只要優雅的將手機放在一個小小的、像杯墊一樣的東西上面，不必接線就能輕鬆充電，這麼厲害的科技背後到底有著怎樣的秘密呢？且聽小編慢慢道來。

電與磁的作用和原理

在探索無線充電技術原理之前，我們必須先來了解一下「電流磁效應」和「電磁感應」。

1819 年，丹麥科學家厄斯特觀察到一段導線上如果通有電流，四周將會產生磁場，可以讓指北針偏轉。後人則進一步發現，將導線圍成環狀，甚至繞成線圈，產生的磁場將會更強、更集中，這稱為「電流磁效應」。

1831 年法拉第發現，讓一塊磁鐵或其他的磁場來源靠近一段沒有電流的線圈，線圈上就會產生「感應電流」，稱為「電磁感應」。

值得注意的是，電磁感應的成立條件是磁場要有「變化」，如磁鐵越來越近或越來越遠。外加磁場若是一直保持不變，是不會有感應電流的。

這兩種物理現象同時運用，就可以進行無線充電。目前的無線充電設備，都包含一個「充電座」，裡面其實正是線圈。將充電座接到家用插頭後，線圈周圍會因為電流磁效應而產生磁場。

要充電的電子產品，裡面也都有一個線圈，當它靠近充電座時，充電座的磁場將通過電磁感應，在電子產品的線圈上產生感應電流。感應電流導引到電池，就完成了充電座和電子產品間的無線充電。

人們可能會問，磁場不是要改變才能有電磁感應嗎？可是充電座與充電的對象距離卻始終保持不變，這樣為何會有電磁感應呢？

原來，家用插座中流出的電是「交流電」，也就是說電流的方向不斷的交替變化，一會兒順著流，一會兒反著流。正因為如此，充電座線圈產生的磁場隨之不斷在變換方向，並非保持不變，符合電磁感應的條件。

但是不幸的是，智慧型手機或平板電腦在充電的時候，只要離充電座的距離稍遠一些，充電效率就會明顯下降。即便是最新的技術，充電距離也不能超過 5 公分。

事實上，目前絕大部分可以無線充電的行動裝置，都是要完全平放在充電座上才能進行，和想像中隨走隨充的無線充電仍有點差別。

為了增加無線充電的距離與充電效率，科學家正在設法利用「磁共振」的原理進行無線充電。在電路中加入一些電容、電感等特殊的元件，適當連接後，會形成「諧振電路」。

諧振電路可以共振，兩個振動頻率相同的諧振電路放在一起，其中一個開始因為通電而震蕩時，另一個電路也會跟著震蕩起來，「自動」產生電流，電能就這樣被隔空傳送了。

這樣的現象稱為「磁共振」，用來進行無線充電，可以讓充電距離達到數米，效率也有所提升。唯一的困難就是，要將兩個電路調整到一模一樣的頻率，並且維持一段時間。

除了磁共振之外，也有科學家嘗試用雷射光的光能來充電，甚至是將電能通過和家用的 Wifi 網路相近的電波頻段來傳送。

無線充電技術的主要種類

現階段，無線充電存在四種不同的方式：電磁感應方式、電磁共振方式、電場耦合方式、無線電波方式。

其中用在手機無線充電的技術主要是電磁感應技術和電磁共振技術，當然，無線充電一旦突破技術壁壘，在以後的家電，以及發展勢頭正猛的電動汽車上同樣具有非常廣闊的前景。

電磁感應方式 

我們今天見到的各類無線充電技術，大多是採用電磁感應技術，我們可以將這項技術看作是分離式的變壓器。

我們知道，現在廣泛應用的變壓器由一個磁芯和二個線圈(初級線圈、次級線圈)組成；當初級線圈兩端加上一個交變電壓時，磁芯中就會產生一個交變磁場，從而在次級線圈上感應一個相同頻率的交流電壓，電能就從輸入電路傳輸至輸出電路。

如果將發射端的線圈和接收端的線圈放在兩個分離的設備中，當電能輸入到發射端線圈時，就會產生一個磁場，磁場感應到接收端的線圈、就產生了電流，這樣我們就構建了一套無線電能傳輸系統。

這套系統的主要缺陷在於，磁場隨著距離的增加快速減弱，一般只能在數毫米至10釐米的範圍內工作，加上能量是朝著四面八方發散式的，因此感應電流遠遠小於輸入電流，能源效率並不高。但對於近距離接觸的物體這就不存在問題了。

最早利用這一原理的無線充電產品是電動牙刷——電動牙刷由於經常接觸到水，所以採用無接點充電方式，可使得充電接觸點不暴露在外，增強了產品的防水性，也可以整體水洗。

在充電插座和牙刷中各有一個線圈，當牙刷放在充電座上時就有磁耦合作用，利用電磁感應的原理來傳送電力，感應電壓經過整流後就可對牙刷內部的充電電池充電。

電磁感應方式的特點是傳輸距離短、使用位置相對固定，但是能量效率較高、技術簡單，很適合作為無線充電技術使用。

電磁共振方式 

與電磁感應方式相比，電磁共振技術在距離上就有了一定的寬容度，它可以支持數釐米至數米的無線充電，使用上更加靈活。

電磁共振同樣要使用兩個規格完全匹配的線圈，一個線圈通電後產生磁場，另一個線圈因此共振、產生的電流就可以點亮燈泡或者給設備充電。

除了距離較遠外，電磁共振方式還可以同時對多個設備進行充電，並且對設備的位置並沒有嚴格的限制，使用靈活度在各項技術中居於榜首。

在傳輸效率方面，電磁共振方式可以達到40%～60%，雖然相對較低但也進入商用化沒有任何問題。

電磁共振方式將電能以電磁波「射頻」或非輻射性諧振「磁共振」等形式傳輸，它具有較高的效率和非常好的靈活性，是目前業內的開發重點。

電磁耦合方式

相對於傳統的電磁感應式，電場耦合方式有三大優點：充電時設備的位置具備一定的自由度；電極可以做得很薄、更易於嵌入；電極的溫度不會顯著上升，對嵌入也相當有利。

首先在位置方面，雖然它的距離無法像磁共振那樣能達到數米的長度，但在水平方向上也同樣自由，用戶將終端隨意放在充電臺上就能夠正常充電。

我們可以看到電場耦合與電磁感應的對比結果，電極或線圈間的錯位用dz/D（中心點距離/直徑）參數來表示，當該參數為0時，表示兩者完全重合，此時能效處於最高狀態。

當該參數為1時，表示兩者完全不重合。我們可以看到，此時電場耦合方式只是降低了20%的能量輸入，設備依然是可以正常充電，而電磁感應式稍有錯誤、能量效率就快速下降，錯位超過0.5時就完全無法正常工作，因此，電磁感應式總是需要非常精確的位置匹配。

電場耦合方式的第二個特點是電極可以做到非常薄，比如它可以使用厚度僅有5微米的銅箔或者鋁箔，此外對材料的形狀、材料也都不要求，透明電極、薄膜電極都可以使用，除了四方形外，也可以做成其他任何非常規的形狀。

這些特性決定了電場耦合技術可以被很容易地整合到薄型要求高的智慧型手機產品中，這也是該技術相對於其他方案最顯著的優點。顯而易見，若採用電場耦合技術，智慧型手機廠商在設計產品時就有很寬鬆的自由度，不會在充電模塊設計上遭受制肘。 

第三個優點就是電極部分的溫度並不會上升——困擾無線充電技術的一個難題就是充電時溫度較高，會導致接近電極或線圈的電池組受熱劣化，進而影響電池的壽命。

電場耦合方式則不存在這種困擾，電極部分的溫度並不會上升，因此在內部設計方面不必太刻意。電極部分不發熱主要得益於提高電壓，如在充電時將電壓提升到1.5kv左右，此時流過電極的電流強度只有區區數毫安，電極的發熱量就可以控制得很理想。

不過美中不足的是，送電模塊和受電模塊的電源電路仍然會產生一定的熱量，一般會導致內部溫度提升10～20℃左右，但電路系統可以被配置在較遠的位置上，以避免對內部電池產生影響。

電場耦合方式具有體積小、發熱低和高效率的優勢，缺點在於開發和支持者較少，不利於普及。

微波諧振方式 

英特爾公司是微波諧振方式的擁護者，這項技術採用微波作為能量的傳遞信號，接收方接受到能量波以後，再經過共振電路和整流電路將其還原為設備可用的直流電。

這種方式就相當於我們常用的Wi-Fi無線網絡，發收雙方都各自擁有一個專門的天線，所不同的是，這一次傳遞的不是信號而是電能量。

微波的頻率在300MHz～300GHz之間，波長則在毫米-分米-米級別，微波傳輸能量的能力非常強大，我們家庭中的微波爐即是用到它的熱效應，而英特爾的微波無線充電技術，則是將微波能量轉換回電信號。

微波諧振方式的缺點相當明顯，就是能量是四面八方發散的，導致其能量利用效率低得出奇，如英特爾的這套方案，供應電力低至1瓦以下，乍一看起來實用性相當有限。而它的優點，則是位置高度靈活，只要將設備放在充電設備附近即可，對位置的要求很低，是最符合自然的一種充電方式。

我們可以看到，當設備收發雙方完全重合時，電磁感應和微波諧振方式的能量效率都達到峰值，但電磁感應明顯優勝。不過隨著X-Y方向發生位移，電磁感應方式出現快速的衰減，而微波諧振則要平緩得多，即便位移較大也具有相當的可用性。 

儘管能量和效率處於較低的水平上，乍看實用價值較為有限，但作為PC業的巨頭，英特爾具有化腐朽為神奇的本領，而它的做法也相當巧妙：英特爾將超極本設計為無線充電的發送端，手機作為接收端，這樣只要手機放在超極本旁邊，就能夠在不知不覺中、連續不斷地充電——相信在上班時，大多數用戶都有將手機放在桌面上的習慣，此時充電工作就可以在後臺開始了。

即便英特爾所用的微波諧振方式只能充入很低的電量，但在長時間的充電下，智慧型手機產品的電力幾乎將永不衰竭，至少從用戶角度上看是這樣，因為只要他攜帶著筆記本電腦、就根本不再需要關注充電問題。 

無線微波方式雖然能效很低，但使用最為方便。

其他無線充電新技術介紹

超聲波無線充電

一家名叫uBeam的公司發明了一種全新的無線充電模式，可以利用超聲波將電力隔空輸送到約5米外的地方。有了這樣的產品，只要使用專用的無線充電套，你就可以在充電的同時拿著手機在屋裡走動。

uBeam的原型產品還比較笨重，但該公司正在努力縮小體積，儘快推向市場。據悉，已經有多家公司希望與uBeam達成戰略合作，為顧客提供這種無線隔空充電服務，以便吸引更大客流，包括星巴克、維珍航空、喜達屋酒店以及多家快餐連鎖。除此之外，uBeam還與蘋果和三星等硬體廠商展開了溝通。

有很多公司都嘗試過真正的無線充電，但多數都以失敗告終，最終只實現了磁共振充電。這種模式必須將設備靠近發射器，甚至直接與發射器接觸，所以並沒有較插電式充電實現重大突破。然而， uBeam的無線充電模式可能具備巨大潛力。

具體而言，uBeam使用的是超聲傳導技術，發射器通過插座或建築物的電力系統取電，然後將其轉換成超聲波，再將震動發射到內置接收器的設備——例如配備無線充電套的手機，接收器之後負責將超聲波震動轉換成電力，為行動裝置充電。uBeam表示，這種模式的充電速度與直接使用傳統電源類似。

這種超聲波隔空充電方式有幾大優勢。首先，這種技術非常安全，它使用的超聲波與監測胎兒時使用的超聲波類似。另外，接收器的價格也很便宜，大約只需50美元，甚至更低，而且體積小巧。不僅如此，這些超聲波還可以用於傳輸數據，可以在物聯網領域發揮作用。

最吸引普通用戶的在於，該種技術的有效範圍大約5米，對移動中的設備同樣有效。雖然智慧型手機已經在體積和性能上實現了重大進步，但電池續航能 力仍未得到太大改觀，這不僅有損了用戶體驗，還阻礙了整個移動經濟的發展。因此，uBeam的技術可能對整個行業形成促進。

從長期來看，倘若uBeam的無線充電協議果真實現應有的潛力，意味著電線將會逐漸消失。不僅是手機，其他各類用電設備也都將使用這種技術。

需要明確的是，uBeam仍在克服一些嚴峻的技術挑戰，最終的產品可能無法在價格、功率、速度和安全方面達到預期。不過，倘若真能實現市場預期，便會成為一項革命性 的技術，這也正是人們夢寐以求的結果。

利用聚焦光線充電

如果你的智慧型手機在白天就出現了電量耗盡的情況，一般人們都會感到煩惱，大多數人的解決方法就是嘗試記住在晚上要為他們的設備充電。

即使是這樣 做，有時也不夠人們日常使用，全天充電有時是很有必要的，為此微軟研究院已經制定出了一個潛在的解決方案：AutoCharge。

微軟研究人員們描述AutoCharge是一種自動定位桌子上的智慧型手機，並為它們充電的技術。他們製造的原型充電器可以被安裝在天花板上，有兩個工作模塊：一個監測模塊，其採用的是微軟的Kinect攝像頭，可以掃描像智慧型手機樣子的物體；另一個是充電模式，採用了UltraFire CREE XM-L T6來聚焦LED光線。

該AutoCharge系統採用了基於圖像處理來監測和追蹤桌上的智慧型手機，並自動為智慧型手機充電。充電器會不斷地旋轉，直到它檢測到一個看起來像智慧型手機的物體，之後將使用太陽能發電技術所產生的光束為智慧型手機遠程充電。換句話說，就是無需電線。

AutoCharge通過藍牙或手機上的LED和智慧型手機建立連接。這確保了當電池充滿電以後可以停止充電，以及確保那些大小和形狀與智慧型手機類似的物體不能被充電。該系統在識別到有物體出現在了它和智慧型手機之間，對充電造成幹擾時，還可以在50毫秒內自動關閉。

無線充電技術標準

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。

Power Matters Alliance標準

Power Matters Alliance標準是由Duracell Powermat公司發起的，而該公司則是由寶潔與無線充電技術公司Powermat合資經營，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）。PMA聯盟致力於為符合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。

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。WiCC比SD卡大一圈，內部嵌入了用於電磁感應式非接觸充電的線圈和電極等組件，卡片的厚度較薄，插入現有智慧型手機電池旁邊即可利用，利用該卡片可使很多便攜終端輕鬆支持非接觸充電。

Qi標準

Qi是全球首個推動無線充電技術的標準化組織——無線充電聯盟（Wireless Power Consortium，簡稱WPC）推出的「無線充電」標準，具備便捷性和通用性兩大特徵。

首先，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。其次，它攻克了無線充電「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。

Qi採用了目前最為主流的電磁感應技術。目前Qi在中國的應用產品主要是手機，這是第一個階段，以後將發展運用到不同類別或更高功率的數碼產品中。截至目前，聯盟成員數量已增加到74家，包括飛利浦、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。

A4WP標準

A4WP是Alliance for Wireless Power標準的簡稱，由美國高通公司、韓國三星公司以及前面提到的Powermat公司共同創建的無線充電聯盟創建。

該聯盟還包括Ever Win Industries、Gill Industries、Peiker Acustic和SK Telecom等成員，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。

前者傳輸效率可能較低，但可以實現稍遠距離的無線充電。後者需要近距離接觸，例如將手機放在一個底座上，不用接線就可以通過感應充電，但這樣充電效率較高。

A4WP標準組成聯盟希望讓無線充電迅速普及，讓用戶在任何地方都可進行無線充電。或者說，A4WP想要讓無線充電便宜一些，並且在不增加手機、平板或者筆記本電腦體積的情況下增加充電接口，這意味著將有越來越多的製造商默認選擇無線充電器。

註：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。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。

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