一文讀懂無線充電：它是怎樣工作的？有哪些技術標準？

早在19世紀末，無線充電技術就已經出現了，當時電子學先驅尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）展示磁共振耦合技術，它在兩個電路（也就是發射器與接收器）之間創造一個磁場，從空中傳輸電力。

然而在過去大約100年的時間裡，這種技術並不怎麼實用，只有少量電動牙刷使用。

到了今天，使用的無線充電技術大約有5-6種，它們的目標是一樣的：剔除線纜，讓智能手機、筆記本、廚房電器、汽車都用無線技術充電。

無線充電技術正在向醫療保健、汽車、製造業滲透，因為它能增強移動性，讓小型物聯網設備遠程接收電力，與充電器相隔幾英尺也能充電。

看看目前最流行的無線充電技術，它依賴電磁場，也就是兩個銅線圈之間的電磁場，這種技術有著嚴格的距離限制，設備與充電器之間的距離不能太遠。蘋果在iPhone 8和iPhone X手機上植入的無線充電技術與此類似。

無線充電如何工作的

IHS Markit研究主管大衛·格林（David Green）解釋說，大體來講，目前的無線充電技術有三種。一種是充電墊，它用到了緊密耦合電磁感應技術或者短程充電技術。一種是充電碗或者穿透表面的充電器，用到了松耦合電磁諧振充電技術，可以相隔幾厘米傳輸電力。還有一種是解耦合RF無線充電技術，充電距離比較遠。

不論是緊密耦合電磁感應還是松耦合電磁諧振充電，二者遵循的物理原理是一樣的：都有一個根據時間變化的磁場，感應電流在密閉的線圈內流動。

它們是這樣工作的：磁迴路天線（銅線圈）創造一個振蕩磁場，它在一根或者多根接收器天線上生成電流。如果加入合適的電容，迴路就可以用同樣的頻率共振，接收器中的感生電流也會增加。諧振感應充電和磁諧振充電就是這樣實現的，該技術有一個優點：發射器與接收器的電力傳輸距離可以拉長，提升效率。線圈的尺寸也會影響電力傳輸的距離。線圈越大，或者線圈數量越多，傳輸的距離越遠。

以智能手機無線充電墊為例，銅線圈的直徑只有幾英寸，電力高效傳輸的距離受到嚴重限制。

當線圈增大，就可以用無線方式傳輸更多的電力。WiTricity公司就是這樣做的，它向眾多行業（比如汽車、風力渦輪、機器人）授權松耦合諧振技術。

2007年MIT物理學教授Marin Solja?i?證明他可以讓電力傳輸2米遠，當時如果按這樣的距離傳輸，效率只有40%，也就是60%的電力會在傳輸過程中損失掉。2007年年末，Marin Solja?i?成立了WiTricity公司，目標是將技術商用，自此之後電力傳輸效率持續提升。

在WiTricity汽車充電系統中，大型銅線圈（接收器線圈直徑約為25厘米）可以延長傳輸距離，讓電力在最遠25厘米的距離高效傳輸。WiTricity CTO莫里斯·科斯勒（Morris Kesler）說，因為用到了諧振技術，傳輸的電力更多（最高11千瓦），效率也更高（端到端效率高於92%）。WiTricity將電容器放進感應迴路，這樣就可以捕捉更多的電力，給電池充電。

除了用在汽車上，技術還可以用在其它地方。去年，日本機器人製造商Daihen Corp開始提供無線電力傳輸系統，它就是用WiTricity技術開發的，系統主要給無人引導車（automatic guided vehicles）使用。AGV安裝Daihen D-Broad無線充電系統之後，我們只要將車輛拖到充電區就會充電，然後就可以在倉庫工作了。

遠距離充電仍然挑戰重重，正因如此，公眾看到的無線充電設備主要還是充電墊。

格林說：「自2015年以來，充電墊已經大規模出貨；充電碗/穿透表面的充電器今年才推出；如果想橫跨房間充電，技術大規模商用至少還要1年時間——Energous展示過新產品，證明這種方法是可行的，只是目前的傳輸距離很短，只有幾厘米。」

2016年出貨的無線充電設備超過2億台，幾乎所有設備都採用感應（充電墊）設計。

9月份，蘋果終於接受無線充電技術，比其它手機製造商落後一步，蘋果引入了WPC Qi技術，三星及其它Android智能手機商已經使用這種技術至少2年了。

第一批移動設備無線充電器大約6年之前推出，使用緊密耦合或者感應充電技術，用戶必須將智能手機放在充電墊的某個位置，否則無法充電。

Navigant Research分析師本傑明·弗里亞斯（Benjamin Freas）說：「在我看來，要將設備與充電墊對齊充電，過程並不比直接插線省太多事。」弗里亞斯說，雖然早期接受者、技術愛好者購買感應充電器，其它人卻沒有興趣。

2012年9月，諾基亞920手機推出，它是第一款植入無線充電技術的商用手機，諾基亞用的是Qi技術。

無線充電標準大戰

在過去幾年裡，有三個無線充電標準組織競爭，它們關注感應和諧振充電技術。三個組織分別是A4WP（Alliance for Wireless Power）、PMA（Power Matters Alliance）和WPC（Wireless Power Consortium）。WPC有296個成員，包括蘋果、谷歌、Verizon。

WPC搭建了最流行的無線充電標準Qi，它支持感應充電、充電墊充電、短距離（1.5厘米甚至更近的距離）電磁諧振感應充電。蘋果用的就是Qi標準。

PMA開發了Powermat諧振充電技術，它最開始時將技術用在咖啡店和機場內，取得一些成功。例如，星巴克2014年開始部署無線充電墊。

標準彼此競爭，移動設備市場很分散，大多移動設備需要一種適應性更強的無線充電標準。

2015年，A4WP和PMA聯合，成立AirFuel Alliance，現在聯盟有110個成員，包括戴爾、Duracell、三星和高通。

Duracell Powermat是AirFuel Alliance的一部分，它說自己在美國已經擁有1500多個充電點，通過Powermat的合作夥伴PowerKiss提供服務。PowerKiss在歐洲機場、酒店、咖啡店設有1000個充電點。AirFuel還說，一些麥當勞餐館也使用自己的無線充電技術。

AirFuel關注電磁諧振和RF技術

AirFuel關注兩種充電技術：一種是電磁諧振技術，一種是RF技術，你可以在空間內移動，移動時可以給設備充電。

AirFuel新聞發言人桑托斯克（Sharen Santoski）說：「市場告訴我們諧振與RF才是未來發展方向。這兩種技術在空間自由度方面有優勢，而且容易使用容易安裝，這些優勢相當重要，它可以創造市場價值，提高客戶滿意度。我們認為，如果想在短期之內在公共基礎設施廣泛部署無線充電服務，諧振是最好的選擇。」

桑托斯克說，越來越多的咖啡店、餐館、機場已經引進諧振無線充電站。他還說中國投資很大，中國台灣也一樣。

AirFuel最近公布一個項目，在台灣桃園機場地鐵（Taoyuan Airport Metro）提供無線充電服務，AirFuel將諧振充電技術帶到了地鐵和地鐵站。傢具製造商Order Furniture也設計一套諧振充電傢具。

弗里亞斯說：「如果每一個餐館和咖啡店都引入無線充電技術，大家就會更願意使用它，就會買一個充電墊放在家裡。」不過弗里亞斯還說，目前的大多項目都是試點項目，消費者和企業不太喜歡緊密耦合充電技術，而是喜歡松耦合諧振充電技術。為什麼？因為使用松耦合技術時空間自由度更高，你只要將手機、平板、筆記本放在桌面就可以充電。

WiTricity與汽車無線充電

7月份，戴爾推出Latitude筆記本，這款筆記本用到了WiTricity諧振無線充電技術。戴爾無線充電器的充電功率最高30瓦，換言之，Latitude用無線充電器充電的速度跟線纜-插座充電是一樣的。

WiTricity的關注焦點是汽車產業。它是AirFuel聯盟的成員，按照WiTricity的估計，許多電動汽車製造商都會在汽車內植入無線充電技術。使用WiTricity電磁諧振技術，電力最多可以傳輸9英寸的距離。這樣一來，我們只需要將汽車停在大型充電墊上就能充電。

例如，賓士今年推出S550e插電式混合動力汽車，它用到了WiTricity技術，將S550e停在充電墊上，汽車就會充電，效率比插線還要高。

科斯勒說，電動汽車使用的技術是一種量身定製的電磁諧振技術。汽車不需要充電線，無線充電墊傳輸電力的效率比線纜還要高。如果是有線充電系統，要用電子設備將AC轉化為DC，調節電流，導致效率下降到86%左右。科斯勒稱：「如果使用我們的無線充電系統，端到端效率約為93%，所謂端到端就是從牆壁傳到電池的效率。」

遠距離無線充電

本月，蘋果收購PowerByProxi，行業嚇了一跳。PowerByProxi是一家紐西蘭公司，它開發松耦合諧振充電技術，用的也是Qi標準。

PowerbyProxi是2007年成立的，創始人名叫法迪·米什瑞奇（Fady Mishriki）。PowerByProxi展示過充電盒、充電碗產品，可以同時給多款設備充電。PowerbyProxi開始向建築、通信、國防、農業等行業銷售大型系統。當中有一個無線控制系統專門給風力渦輪使用。

PowerByProxi是WPC Steering Committee的成員，它縮小技術，植入AA充電電池，不必將技術直接放進設備。無線充電技術佔用的空間大約只有AA電池高度的10%。蘋果可能會將PowerByProxi技術放進產品，擴大無線充電技術的應用範圍，不只用在手機上，電視遙控器、計算機外設及任何使用電池的設備都能用。

就目前來說，無線充電技術主要用在移動設備充電墊上，不過技術正在向其它領域滲透，比如倉庫機器人、小型物聯網設備。

Ossia與Energous已經證明過，無線充電距離最遠可以達到15英尺（約4.57米）。Ossia充電器可以將2瓦的電力傳輸最遠7英尺（約2.13米），如果超過這一距離，效率就會迅速下降。Ossia CEO馬里奧o奧貝達特（Mario Obeidat）說，即使距離達到30英尺（約9.14米），能夠傳輸的電力也是很大的。

奧貝達特還說：「每天我會在辦公室呆8-10小時，可以充半瓦或者一瓦的電量，系統一直給我的設備充電。如果5小時就能給設備充滿電，那就很好了，因為你一直呆在那裡。」

VC公司Sorenson Capital的總經理羅勃·呂克特（Rob Rueckert）說：「我用過Ossia和Energous產品，技術很好。」呂克特相信，與充電墊甚至充電盒相比，遠程充電更有魅力，因為充電墊充電盒要求移動設備與電源緊密連接。

Energous WattUp和Ossia Cota移動設備充電系統有點像無線路由器，它將RF信號發送出去，讓穿戴和移動設備接收。電路板組成小型RF天線，ASIC與軟體組成無線電力接收器。

Cota裝有多天線管理晶元，晶元尺寸約為4x4毫米。Cota電力發射器可以裝進形態多樣的設備，比如吊頂板、桌子、玻璃、電視、汽車儀錶板。

發射器自動偵測Cota設備，上面還有溫度感知單元，可以防止過熱。

奧貝達特解釋說：「我們管它叫真正的無線電力。我們的技術與市場上的其它技術（比如Qi）有點不同，我們可以遠程傳輸大量電力。如果是其它技術，你要將設備放在充電墊上。正因如此，充電時你不能使用設備。」奧貝達特還說Cota技術可以穿透牆壁，就像Wi-Fi路由器一樣。奧貝達特補充道：「我們的技術強調不可知論。未來，你可以將發射器放在房間內，同時給手機、平板、智能手錶充電。」

Ossia還想將技術植入零售貨架商品的電子標籤，這樣一來標籤就可以將產品信息告訴購物者，不需要員工放置物理標籤，也不需要更換價格標籤。

有些人可能會嘲笑，說這樣的技術只能傳輸幾瓦的電力，儘管如此，投資者卻很重視。例如，加州Energous 2014年上市，融資2500萬美元。Energous開發的WattUp充電器用藍牙無線通信技術充電。和Ossia Cota一樣，WattUp傳輸的電力很有限。正因如此，Energous的目標是為移動設備提供電力，而不是筆記本、更高容量的電池。

Energous解釋說，一個WattUp發射器最多可以給24台設備充電，充電還是不充電用軟體控制。如果用最大功率充電（4瓦），可以同時給4台設備充電，不能再多了。

遠距離充電有一個潛在障礙：不論是Ossia還是Energous技術，都不能給Qi兼容設備充電，因為技術卻是專用的。

一切剛剛開始

格林相信，Qi和Powermat提供一個很好的起點，但它們並不是完整的無線技術。他說：「Qi是無線充電的起點，教育消費者，告訴他們有何可能，這件事很重要。」

從Qi充電墊開始，用戶可以提前享受無線充電技術，很快，他們就會需要更靈活、更強大的解決方案，也就是遠程充電，使用時更有彈性，可以一邊使用設備一邊充電。

格林說：「有一件事再清楚不過：2017年，我們還沒有看到有哪一款設備可以在整個房間內提供全速無線充電服務。充電有兩個極端可以選擇：一是放在充電墊上充電，速度與線纜充電差不多，二是慢速充電，但是可以延長距離。」

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