Lucas+Mearian+楊勇

無線充電技術(shù)已經(jīng)有100多年的歷史了，但在蘋果新的iPhone系列等設(shè)備上得以應(yīng)用之后，它才被重新賦予了新生命。本文介紹其工作原理，它為什么會很快出現(xiàn)在從家庭到機(jī)器人的各個領(lǐng)域中。

無線充電自19世紀(jì)晚期就出現(xiàn)了，當(dāng)時(shí)的電力先驅(qū)尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）演示了磁共振耦合——在兩個電路（一個發(fā)射器和一個接收器）之間建立磁場，通過空氣來傳輸電能。

但在大約100年的時(shí)間里，除了一些電動牙刷之外，這項(xiàng)技術(shù)并沒有得到多少實(shí)際應(yīng)用。

如今，有近六種無線充電技術(shù)在使用，所有這些都是為了取消智能手機(jī)和筆記本電腦到廚房電器和汽車等各種設(shè)備所使用的電纜。

無線充電正在進(jìn)入醫(yī)療保健、汽車和制造業(yè)等領(lǐng)域，因?yàn)樗兄Z能夠提高移動性和先進(jìn)性，可以讓微小物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備在離充電器幾英尺遠(yuǎn)的地方獲得電力。

目前在用的最流行的無線技術(shù)利用了兩個銅線圈之間的電磁場，這極大地限制了設(shè)備和充電板之間的距離。蘋果在iPhone 8和iPhone X中使用的就是這類充電方式。

無線充電是怎樣工作的

據(jù)IHS Markit的研究經(jīng)理David Green表示，一般來說，無線充電有三種類型。充電板，使用了緊耦合電磁感應(yīng)技術(shù)或者短距離充電技術(shù)；充電碗或表面通過型充電器，使用了松耦合電磁共振充電技術(shù)，可以把電荷傳輸幾厘米；非耦合射頻（RF）無線充電，能夠在幾英尺遠(yuǎn)的距離上進(jìn)行涓流充電。

緊耦合電磁感應(yīng)和松耦合共振充電技術(shù)都遵循同樣的物理原理：隨時(shí)間變化的磁場在導(dǎo)線閉合回路中感應(yīng)出電流。

它的工作原理是這樣的：一個磁環(huán)天線（銅線圈）被用來產(chǎn)生振蕩磁場，它可以在一個或者多個接收器天線中產(chǎn)生電流。如果加入適當(dāng)?shù)碾娙?，使線圈在相同頻率下共振，那么接收器中感應(yīng)電流就會增大。這就是共振感應(yīng)充電或者磁共振充電；發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間能夠以較遠(yuǎn)的距離傳輸電能，提高了充電效率。線圈的大小也會影響電能傳遞的距離。線圈越大，線圈越多，充電的距離就越遠(yuǎn)。

例如，在智能手機(jī)無線充電板上，銅線圈的直徑只有幾英寸，嚴(yán)重限制了電能有效傳輸?shù)木嚯x。

但當(dāng)線圈較大時(shí)，可以通過無線傳輸更多的能量。這就是10年前由麻省理工學(xué)院研究人員成立的WiTricity公司最先采用的方法。它允許從汽車、風(fēng)力渦輪機(jī)到機(jī)器人的所有設(shè)備都采用松耦合共振技術(shù)。

2007年，麻省理工學(xué)院物理學(xué)教授Marin Marin Soljacic證明他可以在兩米的距離上傳輸電能；那時(shí)，在這一距離上，電能傳輸效率只有40%，意味著60%的電能在轉(zhuǎn)換過程中損失了。Soljacic在當(dāng)年年底成立了WiTricity公司，把這項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化，自此之后，電能傳送效率開始大幅度增加。

在WiTricity的汽車充電系統(tǒng)中，接收器的大型銅線圈直徑超過了25厘米，能夠高效的把電能傳輸25厘米的距離。據(jù)WiTricity公司首席技術(shù)官M(fèi)orris Kesler，使用共振技術(shù)可以傳輸功率較高的電能（最大11kW），而且效率高（端到端大于92%）。WiTricity公司還在導(dǎo)電回路中增加了電容器，從而增加了能夠采集到的能量，并用于給電池充電。

該系統(tǒng)不僅僅適用于汽車。去年，總部位于日本的機(jī)器人制造商Daihen公司開始發(fā)售基于WiTricity技術(shù)的無線電力傳輸系統(tǒng)，應(yīng)用于自動駕駛汽車（AGV）。裝有Daihen的D-Broad無線充電系統(tǒng)的AGV，可以開到充電區(qū)直接進(jìn)行充電，然后去行使其倉庫職責(zé)。

雖然遠(yuǎn)距離充電有很大的潛力，但無線充電至今展示給公眾的仍然是充電板。

Green表示：“從進(jìn)展和行業(yè)準(zhǔn)備情況來看，充電板自2015年以來已經(jīng)量產(chǎn)；充電碗/表面通過型充電器實(shí)際上今年才發(fā)布；商用大批量投產(chǎn)后至少經(jīng)過一年的時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)在一個房間內(nèi)進(jìn)行充電——盡管Energous新品目前展示了該方法在很短的距離內(nèi)能夠工作，例如，幾厘米內(nèi)?！?/p>

2016年僅發(fā)售了2億多臺支持無線充電的設(shè)備，幾乎所有的設(shè)備都采用某種形式的感應(yīng)（充電板）式設(shè)計(jì)。

今年九月，在落后其他手機(jī)制造商幾年后，蘋果終于做出了選擇，采用了WPC的Qi標(biāo)準(zhǔn)——三星和其他Android智能手機(jī)制造商使用該標(biāo)準(zhǔn)至少有兩年了。

第一代移動設(shè)備無線充電器出現(xiàn)在大約六年前；它們使用緊耦合或者感應(yīng)充電，這需要用戶把智能手機(jī)放在充電板恰當(dāng)?shù)奈恢蒙?，給它充電。

Navigant Research的首席分析師Benjamin Freas表示：“在我看來，完全對準(zhǔn)才能充電并不比插入式充電省事?！?/p>

Freas說，雖然早期采用者和技術(shù)人員采用的是感應(yīng)式充電器，但其他人沒有。

2012年9月，諾基亞920成為第一款提供基于Qi規(guī)范的內(nèi)置無線充電功能的商用智能手機(jī)。

無線充電標(biāo)準(zhǔn)之爭

幾年來，有三個相互競爭的無線充電標(biāo)準(zhǔn)小組專注于感應(yīng)和共振充電規(guī)范，他們是無線充電聯(lián)盟（A4WP）、充電事項(xiàng)聯(lián)盟（PMA）和無線充電協(xié)會（WPC）。后者擁有296名成員，其中包括蘋果、谷歌、Verizon和很多名副其實(shí)的電子產(chǎn)品制造商。

WPC制定了最流行的無線充電標(biāo)準(zhǔn)——Qi，支持感應(yīng)式或者平板式充電，以及短距離（1.5cm或者更短）的電磁共振感應(yīng)充電。Qi標(biāo)準(zhǔn)正在被蘋果公司使用。

PMA及其Powermat共振充電規(guī)范在咖啡店和機(jī)場推廣無線充電技術(shù)，而且取得了成功。例如，星巴克在2014年開始推出無線充電板。

由于有相互競爭的標(biāo)準(zhǔn)，對移動設(shè)備的支持仍然是分散的，大多數(shù)移動設(shè)備需要適應(yīng)性的應(yīng)用情形來支持無線充電。

2015年，A4WP和PMA決定聯(lián)手組建AirFuel聯(lián)盟，目前有110名成員，其中包括戴爾、金霸王、三星和高通。endprint

作為AirFuel聯(lián)盟的成員，金霸王Powermat宣稱其在美國擁有1，500多個充電點(diǎn)，并通過Powermat的合作伙伴PowerKiss，在歐洲的機(jī)場、酒店和咖啡館設(shè)立了1，000個充電點(diǎn)。AirFuel還宣布在一些麥當(dāng)勞餐廳提供無線充電。據(jù)Freas講，這是無線充電得以廣泛采用的一種方式。

AirFuel主要關(guān)注電磁共振和射頻

AirFuel專注于兩種充電技術(shù)：電磁共振和射頻，您即使四處走動，也能夠?yàn)槟囊苿釉O(shè)備充電。

AirFuel發(fā)言人Sharen Santoski表示：“我們已經(jīng)看到了明確的市場指標(biāo)，共振和射頻是前進(jìn)的方向。這兩種技術(shù)在空間自由度、易用性和易于安裝上都有明顯的優(yōu)勢，這是創(chuàng)造市場價(jià)值和客戶滿意度的重要因素。我們認(rèn)為，共振是短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)在公共基礎(chǔ)設(shè)施上廣泛部署的最佳技術(shù)?！?/p>

Santoski說，因此，越來越多的咖啡店、餐館和機(jī)場已經(jīng)部署基于共振技術(shù)的無線充電站。Santoski表示：“臺灣正在大力投資，中國也是如此?！?/p>

AirFuel最近宣布了與桃源機(jī)場地鐵的一個項(xiàng)目，在列車和車站提供共振充電。家具制造商Order Furniture開發(fā)出了一系列支持共振技術(shù)的家具。

Freas表示：“如果在所有的餐館和咖啡店里都有充電服務(wù)，那么人們更有可能使用它，而在家里用充電板充電?！?/p>

Freas說，這些項(xiàng)目大多還處于試點(diǎn)階段，他又補(bǔ)充說，消費(fèi)者和企業(yè)都不太愿意采用緊耦合充電，而更傾向于松耦合共振充電，這是因?yàn)樗神詈铣潆娫诳臻g上更自由一些——把電話、平板電腦或者筆記本電腦放到桌面上，就能夠充電了。

WiTricity和車輛無線充電

7月，戴爾發(fā)布的Latitude筆記本計(jì)算機(jī)采用了位于馬薩諸塞州Watertown的WiTricity公司提供的共振無線充電技術(shù)，該公司的這一許可技術(shù)最初是由麻省理工學(xué)院（MIT）開發(fā)的。戴爾無線充電器提供高達(dá)30W的充電功率，所以Latitude筆記本電腦的充電速度與插入墻插進(jìn)行充電的速度相同。

但WiTricity主要關(guān)注的是汽車行業(yè)。根據(jù)WiTricity公司首席執(zhí)行官Alex Gruzen，該公司是AirFuel聯(lián)盟的成員之一，預(yù)計(jì)將有多家電動汽車制造商宣布對其車輛提供無線充電支持。

該公司的電磁共振技術(shù)支持在距離充電板9英寸遠(yuǎn)的地方進(jìn)行充電。這樣，電動汽車充電時(shí)，停在一個大型充電板之上即可。

例如，梅賽德斯-奔馳今年將推出S550e插電式混合動力轎車，具備使用WiTricity技術(shù)的能力；S550e停在充電板上便能夠充電，效率比插入充電更高。

Kesler說，電動汽車應(yīng)用是為電磁共振充電量身定制的。這是因?yàn)檐囕v不需要充電電纜，無線充電板充電效率要高于電纜。（Kesler說，有線充電系統(tǒng)使用電子設(shè)備把交流電轉(zhuǎn)換成直流電，還需要調(diào)節(jié)電流大小，效率降低到大約86%。）

Kesler說：“我們的無線充電端到端的效率可以達(dá)到93%——從墻壁直到被充電的電池?！?/p>

遠(yuǎn)距離無線充電

本月，蘋果收購了總部位于新西蘭的公司PowerByProxi，這讓一些行業(yè)觀察人士感到意外，該公司開發(fā)了基于Qi規(guī)范的松耦合共振充電技術(shù)。

PowerbyProxi成立于2007年，作為奧克蘭大學(xué)的衍生公司，是由企業(yè)家Fady Mishriki創(chuàng)立的。PowerByProxi已經(jīng)展示了充電盒和充電碗，可以放置多個設(shè)備，同時(shí)充電。

這家奧克蘭的公司開始面向建筑、電信、國防和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)銷售大型系統(tǒng)。其中一種產(chǎn)品是用于風(fēng)力渦輪機(jī)的無線控制系統(tǒng)。

WPC指導(dǎo)委員會成員PowerByProxi將其技術(shù)小型化，把它置于AA可充電電池中，無需把該技術(shù)直接嵌入到設(shè)備中。無線技術(shù)裝置約占AA電池高度的10%。

蘋果可以使用PowerByProxi的技術(shù)來擴(kuò)展其在無線充電領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅僅是智能手機(jī)，還有對電視遙控器、計(jì)算機(jī)外設(shè)或者任何需要電池的設(shè)備進(jìn)行充電。

雖然無線充電技術(shù)最明顯的應(yīng)用是在移動設(shè)備充電板上，但這項(xiàng)技術(shù)也正在應(yīng)用于從倉庫機(jī)器人到微型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等眾多領(lǐng)域，否則，這些設(shè)備要連接電源線，或者采用可替換電池供電。

Ossia和Energous都已經(jīng)展示了超過15英尺的無線充電技術(shù)。Ossia充電器可以向幾英尺遠(yuǎn)的地方發(fā)送大約兩瓦的電量，但隨著距離的增加電量會迅速下降。然而，據(jù)Ossia首席執(zhí)行官M(fèi)ario Obeidat，即使在30英尺的距離上，能傳輸這些電量也是“有意義的”，暗指是對設(shè)備進(jìn)行涓流充電，以維持設(shè)備的電量。

Obeidat說：“假設(shè)我每天在辦公室工作8到10個小時(shí)，而且我正在接收半瓦或者一瓦的電力；一直在為我的設(shè)備充電。所以，如果要花五個小時(shí)才能充滿電的話，那沒關(guān)系，因?yàn)槲乙恢倍荚谀抢铩！?/p>

私募股權(quán)和風(fēng)險(xiǎn)投資公司Sorenson Capital的董事總經(jīng)理Rob Rueckert在早些時(shí)候接受《計(jì)算機(jī)世界》采訪時(shí)表示：“Ossia和Energous我都用過；技術(shù)不錯。”

Rueckert認(rèn)為，遠(yuǎn)距離充電技術(shù)比充電板甚至充電盒更有吸引力，因?yàn)楹笳哌€需要移動設(shè)備相對緊密地連接到充電電源。

Energous的WattUp和Ossia的Cota移動設(shè)備充電系統(tǒng)的工作原理與無線路由器非常相似，發(fā)送的射頻（RF）信號被可穿戴設(shè)備和手機(jī)接收。PCB板形式的小型射頻天線，ASIC和軟件構(gòu)成了無線電力接收器。

使用一個尺寸約4x4mm的多天線管理芯片，Cota電力發(fā)射器可以內(nèi)置到各種外形封裝中，從天花板到桌子、書桌、玻璃、電視和汽車儀表盤等各種外形。

發(fā)射器自動檢測支持Cota的設(shè)備，并包括了一個溫度傳感單元，以防止過熱。endprint

Obeidat說：“我們稱之為真正的無線電源。我們的技術(shù)和市場上其他技術(shù)的區(qū)別，比如Qi，在于我們能夠遠(yuǎn)程傳送電力。而其他技術(shù)要求您把設(shè)備放在充電板上。所以，實(shí)際上，您必須把設(shè)備放下才能充電?！?/p>

Obeidat還聲稱Cota充電技術(shù)可以穿透墻壁工作，就像Wi-Fi路由器一樣。

Obeidat說：“我們的技術(shù)與設(shè)備無關(guān)。您可以想象在房間里有一個發(fā)射器，它可以同時(shí)給智能手機(jī)、平板電腦和智能手表充電?！?/p>

Ossia已經(jīng)在零售貨架產(chǎn)品電子標(biāo)簽上試用了它的技術(shù)。標(biāo)簽可以告知購物者產(chǎn)品的詳細(xì)信息或者銷售情況，而無需工人放置實(shí)物標(biāo)志或者更改價(jià)格標(biāo)簽。

雖然有些人對只能近距離的傳送幾瓦電能的想法嗤之以鼻，而投資者卻認(rèn)真的看待這種想法。例如，加利福尼亞州Pleasanton的AirFeel成員Energous在2014年上市時(shí)籌集了大約2500萬美元。

Energous的WattUp充電器采用了藍(lán)牙無線通信規(guī)范。和Ossia的Cota技術(shù)一樣，WattUp能夠發(fā)送的瓦數(shù)是有限的。結(jié)果，Energous專注于為小型移動設(shè)備供電，而不是需要更高容量的筆記本計(jì)算機(jī)或者電池。

據(jù)Energous發(fā)布的信息，一臺WattUp發(fā)射器能夠?yàn)?4臺設(shè)備充電，所有這些設(shè)備都可以通過軟件控制來啟用或者禁用充電。最大功率是4瓦，此時(shí)只能同時(shí)為四臺設(shè)備充電。當(dāng)更多的“授權(quán)”設(shè)備進(jìn)入房間時(shí)，每臺設(shè)備的充電功率就會下降。

遠(yuǎn)距離采用無線充電的一個潛在障礙是，Ossia和Energous的技術(shù)都不能為支持Qi的設(shè)備充電；該技術(shù)是專有的。

只是開始

Green認(rèn)為，Qi和Powermat提供了一個良好的開端，但強(qiáng)調(diào)技術(shù)并不是完全無線的。他說：“Qi發(fā)起了關(guān)于無線電力的討論。有必要對消費(fèi)者進(jìn)行教育，讓他們了解這項(xiàng)技術(shù)能干什么?！?/p>

從Qi的充電板充電開始，在用戶開始接受無線電源的前提下，很快會要求有更靈活、更強(qiáng)大的解決方案：遠(yuǎn)距離充電，在充電的同時(shí)還能靈活地使用設(shè)備。

Green說：“有一點(diǎn)很清楚，2017年，還不會出現(xiàn)在一個在房間內(nèi)提供全速無線充電的設(shè)備。而是兩個極端——與電線相同的速度進(jìn)行充電，但在充電板上；或者非常慢地充電，但距離較遠(yuǎn)?！眅ndprint