正在改变移动世界的无线充电技术

快速发展的无线充电市场迫切要求制造商和开发商为设备间互操作性制订全球统一的无线充电标准。

建立一种全球通用的无线充电技术的比赛正在如火如荼地进行中。新的令人激动的无线充电技术进展和产品不断涌现——一些公司紧盯一种技术，也有些公司支持多种技术。但各种技术间互操作性的缺乏仍然是个大问题，因为没有统一的无线充电标准。

无线电力传输的想法已经出现好多年了。早在20世纪00年代，尼古拉●特斯拉就开始尝试无线供电了，但一直没有取得完全成功。不过他已非常接近成功——他的革命性发明被称为特斯拉线圈。这种不用导线传送电能的系统彻底改变了电能的使用方式(图1)。


图1：特斯拉线圈是尼古拉●特斯拉于20世纪00年代发明的。

在短距离内不用导线实现电力传输的技术和方法有很多种，比如电磁感应、磁共振、电容耦合、磁力耦合等等。前两个应该是目前市场上最常用的技术。

电磁感应(电感性耦合)

这种近场方法使用导线线圈之间建立的磁场实现电能的无线传输。当电流流经发送线圈时，它会产生一个磁场，进而在接收线圈中感应出一个电压。

线圈耦合得越好，电能传输得就越好。耦合因子k指示耦合程度。k值取决于多种因素，比如线圈的形状、它们之间的角度以及电感器之间的距离。

根据发送器线圈和接收器线圈之间的距离不同，这种系统可以分成松耦合或紧耦合两种。

在紧耦合系统中，发送线圈和接收线圈具有相同的直径。它们彼此对齐，相距最小的Z。这个距离Z比线圈直径小得多。这种系统发热少，具有较高的效率(图2)。


图2：这是收发线圈具有相同直径的紧耦合系统。

而松耦合系统中的线圈可以有较大的距离，但电能传输效率较低，电磁辐射较高(图3)。


图3：在松耦合系统中，线圈之间的距离较大。

电磁感应有许多优点，比如电路方案简单，具有较好的成本效益。主要的缺点包括充电距离有限，发送器和接收器之间必须精确对齐。

磁共振(共振感应耦合)

这种近场方法利用共振现象在一定空间内无线传输电能，其原理与电磁感应是相同的。发送器和接收器线圈以相同的频率振荡(或共振)，这个频率取决于线圈的材料和形状(图4)。


图4：通过磁共振线圈点亮灯泡。

磁共振的主要优点在于能够在相对较长的距离内传输电能，发送器和接收器不需要精确的对准。不过由于电路控制复杂，生产成本较高。

热门产品

目前市场上流行的大多数产品依赖于磁感应和磁共振无线充电技术。这些产品包括：

●Qi：Qi由无线充电联盟(WPC)创建，可以给从智能手机到无绳厨房电器等一系列设备充电或供电。它将感应技术和谐振技术整合在了一起。图5显示了支持Qi标准的众多产品之一。

●PowerbyProxi：这一WPC成员在许多电池供电的设备中提供共振无线解决方案，但设计约束限制了它们的效能。他们为工业现场提供多种产品解决方案。举例来说，Proxi-Point无线连接器能为难以到达的位置上的传感器提供电能，并为电池充电(图6)。


图5：这是三星公司开发的无线Qi充电座。


图6：这种Proxi-Point无线连接器主要是为难以够到的传感器提供电能。

● WiPower：高通既是无线充电联盟也是Airfuel联盟的成员。公司的WiPower技术基于的是磁共振原理。WiPower最近宣布可以给具有金属外壳的设备进行无线充电。

● WiTricity：这种基于磁共振的技术是为间距一厘米至数米的设备设计的。原始设备制造商(OEM)可以将这种技术直接嵌入他们的产品和系统中(图7)。WiTricity是Airfuel联盟的一位活跃会员。

● Powermat：这是一种基于电磁感应的技术，包含一个给电子设备充电的垫子。这种技术通过了PMA联盟(Power Matters Alliance)的认证。具有内置无线充电功能的这些设备可以在充电点立即加电。如果设备没有被激活，可以用插电式Powermat Ring进行无线激活(图8)。


图7：Witricity的Prodigy可以用一个电源给两台设备同时进行无线充电。


图8：这种三星设备可以使用Pow?ermat Ring并通过Powermat进行充电。


在了解这些热门产品时可以明显地发现：从技术角度看磁共振和电磁感应占了主要地位。选择哪种技术取决于具体的应用。

无线充电是一个仍在发展中的新兴市场。随着更多技术和产品的出现，消费者有望在市场上随处见到具有互操作性的产品。

主要玩家

在开发磁共振和电磁感应技术的领域中有两个关键的组织机构，即无线供电联盟(WPC)和Airfuel联盟。WPC成立于2008年，是Qi标准的创立者。

WPC联盟成员一直致力于开发一种全球统一的无线充电技术标准。目前有200多家公司提供的800多种产品都支持Qi标准。联盟管理成员包括LG、高通、三星、TI、东芝和Verizon。

Airfuel联盟是个全球性生态系统，是PMA联盟和A4WP联盟(Alliance for Wireless Power)最近(2015年6月)合并的结果。组成联盟董事会的公司有AT&T、英特尔、安森美、Powermat、三星和WiTricity。

值得一提的是，PMA联盟是一家全球性的非赢利性行业组织，致力于为无线供电技术建立范例。它的创始成员是Powermat。同样，A4WP联盟也是一家独立运营的非赢利性组织，致力于在Rezence技术基础上搭建全球性的无线充电生态系统。

遗憾的是，这场标准之争并没有给WPC联盟和Airfuel联盟创造任何功能、互操作性或灵活性。制造业中的一些大公司，比如微软、高通和三星，都同时是WPC和Airfuel联盟的成员。因此他们的产品同时支持这两种无线充电标准。

Semtech公司是另一家拥有双会员资格的公司。去年十月，Semtech公司发布了一款新的无线充电平台，该平台能够支持所有主要的标准(Qi、PMA和 A4WP Rezence)。包含TS80000发送器和TS81000接收器的TS80K平台支持针对可穿戴、移动和嵌入式系统应用的多种系统配置(图9)。


图9：Semtech的三模式无线充电平台包括TS80K发送器和TS81K接收器。

TS80K具有更高的灵活性，因为这个平台以多模技术支持所有主要的(同时针对发送器和接收器应用的)无线充电标准。还可以经过适当修改迅速支持新的无线充电标准。TS80K平台支持种类广泛的供电解决方案，从100mW的可穿戴解决方案到100W的解决方案，适用于工业加工设备、医疗设备和“联网的”家具设备。

TS80K的多模式发送器解决方案输出的功率电平范围从100mW到40W以上。因此它能实现家具、汽车和公共场馆中的嵌入式充电功能，在单个易用且高成本效益的平台基础上，能够支持所有主要的无线标准。

WPC联盟和Airfuel联盟之间缺少统一的标准使得供应商在他们的产品中采用这些技术的步伐非常缓慢。一旦在这场无线标准之争中明确胜者，那么这个市场将很快形成数十亿美元的通用无线充电器业务。最终消费者将能够从丰富的产品中作出明智的选择。