无线充电技术的应用及市场

1 引言
无线鼠标、无线键盘、无线路由等电子设备先后推出市场广受好评，这些无线设备在带给我们更加方便使用的同时，也让电子设备走向更加时尚、科技与环保的道路。近几年随着智能手机等移动设备的快速发展，各移动设备商竞争激烈，无线充电在这场竞争中充当了一个有力的砝码。无线充电是充电方式的一次改革，它虽然存在的问题还不少，但是它让充电方便快捷，随充随用；加之价格低廉，对于用户具有较强的吸引力。现阶段实现无线充电主要通过三种方式,即电磁感应、无线电波以及磁共振作用，而现在已经上市的具有无线充电功能的智能手机（比如Lumia920、Nexus 4、HTC 8X等）大多采用的是Qi标准，这种标准可以实现以电磁感应为原理的充电垫式的充电或近距离磁共振充电，可以说是一种近距离无线充电技术。相比之下，利用磁共振原理的无线充电技术能够使无线充电的距离得以延伸。Qi标准无线充电技术是完全不借助电线，利用电生磁、磁生电的电磁感应基本原理的一种充电技术。通过线圈进行能量耦合实现能量的传递。以手机为例，充电板中的电路将电能转换为电磁场，电磁场在空间传播，并在手机中相应的接收线圈中产生感应电流，经过专用的电路进行整流、稳压后就可以直接充进手机电池中。
2 无线充电的发展史
19世纪30年代，迈克尔·法拉第就发现，周围磁场的变化将在电线中产生电流。19世纪90年代，爱迪生光谱辐射能研究项目的一名助手尼古拉·特斯拉就曾提出无线电力传输的构想。此后，香港城市大学电子工程学系许树源教授曾成功研制出“无线电池充电平台”，需要产品与充电器接触，它主要利用的是近场电磁耦合原理。2005年12月中国的比亚迪公司申请使用电磁感应技术的非接触感应式充电器专利。2007年，美国麻省理工学院的马林·索尔贾希克(Marin Soljacic)等人在无线传输电力方面取得了新进展，他们用两米外的一个电源，“隔地”点亮了一盏60瓦的灯泡。Fulton公司与德州仪器公司(TI)在CES（消费者电子展）2009上展示了一款专为iPhone打造的无线充电器，但前提是iPhone必须使用改装后的专用电池。较为让大家所熟知的iPhone无线充电器，在日本售卖已经几年了，日立麦克赛尔也推出了符合WPC标准的iPhone系列产品。在CEATEC2010展会上，日本NTT DoCoMo公司推出了无线充电手机。2010年中国CE创新设计盛典上，戴尔展示了一台无需电源的笔记本电脑Latitude Z，据报道，这是全球第一台配有无线感应充电基座的笔记本电脑。韩国首尔一座游乐园内试运行一种新型电车，这种电车在铺有电磁感应条的路面上行驶时可“无线”充电。据国外媒体2011年11月9日报道，英国HaloIPT公司在伦敦利用其最新研发的感应式电能传输技术成功实现为电动汽车无线充电。飞利浦最新推出的电动牙刷也使用了无线充电技术，而使用无线电波为数码产品充电的技术公POWERCAST也已与菲利浦公司签署了合作协议，准备推出相关产品。2012年9月，移动设备巨头——诺基亚公司推出的具有无线充电功能的Lumia920手机，引起了人们对无线充电技术的广泛关注和好评，随后多个厂家也相继推出了支持无线充电的手机，无线充电自从大步地走入我们的生活。2013年1月，哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院发布了磁共振式无线电能传输技术，新技术可使手机、电脑、家电不插电源即可充电。
2008年12月17日成立的无线充电联盟(WPC，wireless power consortium)，是全球首个推动无线充电技术的标准化组织，旨在为创造和促进市场广泛采用与所有可再充电电子设备兼容的国际无线充电标准Qi，当时联盟成员有74个，其成员主要包括德州仪器(TI)、国家半导体(NS)、ST-Ericsson、罗姆半导体(Rohm)、诺基亚(Nokia)、RIM、飞利浦(Philips)、三星电子(Samsung)、三洋电机(SANYO)、奥林巴斯(Olympus)、劲量(Energizer)等国际著名厂商。无线充电联盟的成员企业现已发展到138家。
HTC、摩托罗拉、LG的上市产品中有的也已具备无线充电功能，而深圳桑菲通信公司也已有Qi标准无线充电手机在中国售卖。
目前无线充电主要有Qi、A4WP和PMA三大标准。此外，苹果公司等还单独设立了标准。
1)Qi标准
采用“电磁感应技术”，需要近距离接触。攻克了无线充电“通用性”的技术瓶颈，只要有Qi标识的不同品牌的产品，都可用Qi无线充电器充电。是全球首推无线充电技术的标准化组织——WPC(wireless power consortium)推出的所有可再充电电子设备兼容的国际无线充电标准。
2)A4WP标准
采用“电磁谐振无线充电技术”，传输效率可能较低，但可以实现稍远距离的无线充电。为A4WP(Alliance for Wireless Power)推出的无线充电标准，其主要支持者有著名的高通和三星电子公司。
3)PWA标准
采用“电磁感应技术”，是Powermat Technologies and Procter * Gamble牵头的PMA(Power Matters Alliance)推出的无线充电标准，为符合美国电气和电子工程师协会标准的手机和电子设备提供无线充电标准。
Qi标准是无线充电联盟2010年推出的5瓦以下小功率无线充电标准。“Qi”是汉字“气”的汉语拼音，在东方哲学中代表无形的能量，被用来借指功率发射器和功率接收器之间的兼容性。Qi标准在业内的影响力最大，目前市场上有超过九成的无线充电产品采用的是WPC的Qi标准，诺基亚、宏达、LG、谷歌Nexus 4都采用这一标准。
人们普遍看好无线充电市场的未来，但是无线充电标准必须统一才能促进无线充电行业发展。随着今后为平板电脑、笔记本电脑充电的中功率无线充电器走向市场以及大功率无线充电技术日趋成熟，无线充电标准的市场竞争将逐渐凸显，业界将不得不出台统一的标准。
3 无线充电的工作原理
无线充电有电磁感应、磁共振、电场耦合、无线电波等四种工作方式，本文仅对电磁感应充电工作原理作为重点描述。
3.1 磁共振
磁共振可实现非常高效的传输能量，相同振动频率的物体之间可以高效传输能量，而不影响振动频率不同的物体。线圈对线圈之间传输效率可达90%以上，端对端传输效率可达80%以上。无线充电的距离数厘米到数米，并且能够提供数千瓦功率。根据其设计理论，其共振频率是固定的，要求发射器与接收器匹配网络必须完全一致，其Q值要求比磁感应式的高，在50～100之间；接收器的识别可采用现成熟的蓝牙或ZigBee技术，实现一对多的无线充电更加便利。
作为无线充电的明日之星，尤其在电动汽车(EV)充电市场前景看好。例如，在奥迪、日产、三菱电动汽车中采用磁共振方式的无线充电器，振动频率145kHz，充电距离10cm～20cm，实现了3300W功率的电能无线传输。IDT和高通的近场磁共振无线电源充电，旨在为消费类电子产品，如移动电话和其他电池充电提供空间自由/小功率直接充电设备。IDT和英特尔提供针对在电子书、多功能一体机、个人电脑、智能手机的无线充电装置。