无线充电：在哪里和怎么充电？

　　摘要：本文将重点讨论已提出的不同无线充电协议，它们的优势以及无线充电在哪儿获得了最佳市场关注。
　　无线充电使消费者不用电线就能为其便携式设备充电。电信运营商和手机制造商都在采用这种技术。在汽车中，无线充电可能是无线技术的最后一部分，最终能将重要的智能手机应用集成到汽车中。但一些企业争相建立标准，包括高通、三星、英特尔、Powermat、诺基亚，Docomo以及其他许多公司。 本文将重点讨论已提出的不同无线充电协议，它们的优势以及无线充电在哪儿获得了最佳市场关注。
　　无线充电并不是一个新的概念，也不是一项新技术，但最近推出的带无线充电功能的新智能手机越来越以此为卖点，如新的诺基亚Lumia 920或LG Nexus 4。Palm早在4年前就已发售内置无线充电功能的Pre手机;但自那以后，Palm便从这个市场中消失了。Powermat多年来一直在美国向黑莓或iPhone发售无线充电配件系统。 我们许多人家里有无线充电的电子牙刷。那么什么使无线充电更频繁地出现在新标题中 无线充电标准已经出现;实际上出现了几个标准，我们将在后面看到。
　　随着无线充电标准的出现，市场分析师预测该市场将快速增长。ABI、IHS iSuppli以及InStat的分析师们在各自的2010年报告中都预测，该市场将于2012年启动，2014年的发货量将迅速达到数亿件。最近的报告，如IHS IMS Research 公司最近公布的一份报告，认为 2015 年带无线电源的设备发货量将超过1亿件，2016年市场价值将高达50亿美元[1]。现在看来，分析师在 2010 年过于乐观，低估了标准开发、认证流程就绪以及市场接受所需要的时间。 但有一点没有改变，那就是智能手机、平板电脑和其他消费电子设备大量采用无线充电的长期愿景。市场分析师已经把他们的“hockey-stick(曲棍球棒)”式的市场增长率预测改为三年左右，但并没有改变其长期乐观的观点。
　　2012 年 9 月，Wireless Power Consortium(无线充电联盟，WPC)宣布，按照Qi WPC标准集成了无线充电功能的智能手机已发货850万台。在手机内部集成了无线充电电路后，无线充电的采用率将大幅增加。不必像以前一样添加一个特殊的套壳或后门，现在无线充电电路可作为一个内置功能集成到手机中。诺基亚Lumia 920或LG Nexus 4等新手机就是这种新发展趋势的很好示例。 对于消费者来说，这种集成显著降低了此功能的成本，并且不会增加任何与售后市场的后门或套壳相关的厚度。手机制造商也将与这些手机一起配套供应简单、低成本的无线充电垫，提供开包即用的简易体验。智能手机将推动这项技术的增长，而且是无线充电组件数量最大的市场。
　　智能手机大规模采用无线充电也将带动大量的配套产品，如 JBL 或TDK产品等无线音频扬声器[3]。这些无线充电扬声器集成了三种互补的无线技术：蓝牙(从手机接收音频文件)，NFC(蓝牙自动配对)和无线充电(保持手机充电)。 这种整合提供了全新的用户体验：音频自动从手机传输到扬声器，无需硬件连接，无需配对机制，只需把手机放在扬声器顶部便可。其他配件包括，已经推出的无线充电蓝牙耳机C无线充电鼠标;或内置了无线充电站的床头闹钟。内置了无线充电功能的移动设备和消费电子产品剧增，将推动建立公共和私人充电站的基础设施。我们开始看到无线充电器安装在机场休息室、咖啡店和酒店里，很快在公共交通和私家车中也会拥有无线充电器。在未来的汽车中，汽车中央控制台中将内置一个手机无线充电器。将手机放在控制台顶部，就会充电，会自动连接到汽车蓝牙无线电以及屋顶蜂窝和GPS天线，获得更好的通信，同时手机应用和媒体文件被传输到汽车信息娱乐显示屏。整合这些无线技术将把最先进的智能手机应用融入到您的驾驶体验中。
　　所有的无线充电系统都使用磁场线圈感应电流的基本原理。 有时称为磁感应或磁共振，这些系统中的一些差异在于发送和接收线圈之间的耦合系数。耦合系数高的系统意味着两个线圈应该是紧贴的，比较一致。 某些系统耦合系数较低，支持把接收器放在距离发射器较远的位置，还可更自由地放置接收器。
　　无线充电联盟(WPC)[4]于2009年成立，创建了无线充电标准 Qi。三年后，WPC已拥有 120 多名成员以及同样多的认证产品，这种发展状况有利于实现其最初目标。 WPC 指定发射器的拓扑结构，确保与现有的WPC接收器产品向后兼容。发射器可以使用一个或多个线圈;在后一种情况下，可以同时使用一个或多个线圈产生磁场。第一个发射器拓扑使用紧密的磁感应耦合，依靠使用几个(3 8个)线圈来支持X和Y的空间自由。发射器和接收器之间的距离 Z 通常为5毫米。近来，WPC已经提供了一个新的发射器类型，Z空间自由度为5厘米，使用自适应磁共振原理，同时与现有的WPC感应耦合接收器保持向后兼容。　　


　　另一个无线充电标准是Alliance for Wireless Power(A4WP)，成立于2012年，建议磁共振无线充电系统使用6.78MHz 的ISM频段来产生磁场。A4WP 与 WPC不同，不支持紧密感应耦合机制。这两个标准的一个显著区别是使用的频率不同：WPC 使用 100 至 205 kHz，A4WP 使用 6.78 MHz。值得一提的是，其他公司或企业联盟也正在使用 ISM 频段进行无线电源传输。例如，英特尔已经展示了笔记本电脑和手机之间的无线电源(使用13.56 MHz)原型。EUROBALISE共同体已经指定了火车和地面轨道上固定应答器之间的无线充电系统，使用频率为27 MHz。
　　需要注意的是，只有WPC、A4WP以及次要的Eurobalise是基于联盟的开放的无线充电标准。WiTricity 或英特尔等其他系统有专门的无线充电标准，不会像其他标准一样获得业内公司的广泛支持。Powermat 最近成立了一个名为 Power Matter Alliance(充电联盟)的新联盟，试图使自己的无线电源技术成为另一个标准。谈论这一举措将会有多成功还为时尚早。表1中值得一提的是，使用ISM MHz频段的无线充电系统需要依靠不同的频段进行电力传输和通信。这是肯定的，因为ISM频段很窄，而且带外发射要求很严。其他需要提及的还有这些技术能否提供三维空间自由度来根据发射器的位置放置接收器。作为一个紧耦合系统启用的 WPC，正在创建一个自适应磁共振发射器拓扑，以提供高达 5cm 的 Z 空间自由度，以及类似的或更大的 X 和 Y 空间自由度。 Powermat 是灵活性最小的技术，只有紧耦合系统，并要求发射器使用磁铁，以帮助线圈对准。A4WP 和英特尔似乎提供相似的系统类型。而 Eurobalise 标准能从高速列车上将电源无线传输到铁轨上的固定应答器，并以不同频率传回数据，因而与众不同。
                               
                                                               
                               
                　　那么如何比较这些不同系统的效率、成本和排放标准遵从性 表2试图提供一些指导。这些技术已按照他们正使用的频段进行了重组。一方面，WPC 和 Powermat 系统低于500kHz，其他的使用ISM频段，6.78、13.56 或 27.095 MHz。

　　首先，对于这些系统最重要的是符合有关人类射频暴露和EMC辐射的法规。低于500kHz的系统在这方面表现更好，有更大空间遵守法规。而对于 ISM 频段，我们仍在等待具体数据，显示这些系统确实符合 FCC 第 15 部分和第 18 部分以及 CISPR11 的要求。对此，一个例证是 2012 年 5 月推出的三星 6.78MHz 无线充电配件延迟上市，6 个月后仍然没有供货。这些系统必将设法符合这些要求，但这样利润将会减少，而且随着时间的推移和大批量的生产可能会变得难以管理。
　　其次，对于效率、传输距离和系统成本，这些技术都有一些优缺点，综合起来性能相差无几。对于 ISM频段系统来说，驱动电路更加昂贵，但线圈/天线更便宜，而低于 500kHz 的系统则相反。两个频段在传输范围和效率方面性能相似，都遵守相同的物理定律。
　　那么，哪个系统将更受市场欢迎呢。首先，我确信，只有一个行业技术标准能获得广泛的市场认可。对此，Powermat 是一个很好的反例。无线充电领域的先驱 Powermat 在市场上出现 5 年后仍未成为无线充电技术的选择。 最近，它与金霸王(Duracell)在美国结盟是一个大胆的举措，投资数百万美元创建一个品牌和一些基础设施。但结果仍有待观察。 另一家公司英特尔也计划为无线电源提供一个专有系统，使用 PC 和 超级本作为智能手机和 PC 配件的无绳充电站。目前，此系统仅处于原型阶段，所以无法判断。如此一来，现在只剩下两个开放的标准系统：WPC 和 A4WP。　
　　WPC Qi 系统无疑领先一步：出现了近 4 年，拥有 120 多名活跃的成员。2011年， WPC 发布了第一个规范，2012 年发布了 1.1 后续修订版。2012 年成立的 A4WP 到 2012 年 10 月底，已有 19 名成员。A4WP 尚未公布规范。 WPC 获得了日本手机公司和供应商、美国Verizon、诺基亚和许多其他消费电子产品公司的拥戴。A4WP 的主要成员和创建者是高通和三星。值得一提的是，三星实际上是这两个联盟的成员。事实上，在 19 名 A4WP 成员中，有 7 名也是 WPC 的成员，随着更多 WPC 公司加入 A4WP 以获得其规范，这一比率可能还会增加。A4WP 的最低加盟费比 WPC 的少四分之一，这样新公司很容易便能加入 A4WP。
　　WPC 已授权了几个不同的认证公司，可以提供官方 Qi 认证标记。 截止 2012 年 10 月，大约有 120 个产品获得了 Qi 认证，而一年前为40个产品。这种增长趋势在新的一年里会进一步加大。 大约有三分之二的 WPC 成员来自亚洲，20% 来自美国，15% 来自欧洲，这也很好地显示出采用这种技术的地区。现在 WPC 正致力于将电流规范的电源扩展到 15W，然后会将平板电脑或小型笔记本电脑系统扩展到 30W。最后，厨房工作组将寻找高达2000瓦的更高功率，为厨房电器进行无线充电。
　　飞思卡尔于 2011 年加盟了 WPC，至今生产了几个 5W 和 30W 的参考系统。有一个系统展示了 4 个 30W 的电池组可同时进行无线充电;都由一个 MCU 驱动。飞思卡尔运用一个小型数字信号处理器作为无线充电发射器。DSP 功能支持低功率，并快速处理驱动发射器线圈所需的 PID 回路。然后，系统开发人员可以使用这个体积虽小但功能强大的内核进行额外的电源处理，以实施其他辅助功能，如 CAN 接口、用户界面功能或任何可以使用备用存储空间和空闲 I/O 的其他功能。
　　对于采用无线充电作为主流技术来说，2012年是一个转折点。 成功的重要因素是时机成熟、有标准、大型OEM和无线运营商致力于该技术。分析师们仍然预测该市场将迅速增长，尽管比原先预期的晚了几年。除了手机和消费电子设备外，其他行业的许多其他设备也可以因为这种技术的进步而受益，即使在不需要标准，或不渴望标准的许多领域也是如此。便携式医疗设备、玩具、助听器、机器人、专业音响设备、双向无线电通讯设备和许多其他系统都可以使用无线充电或无线电源传输。有了解决方案提供商这条可靠的供应链，这些特定的应用会发现很多解决方案供应商。有了技术，生态系统已经就绪，而苹果公司如何处理无线充电仍然是一个未知数。 这可能是该市场得以最终发展的最后一个不确定性因素。
　　参考文献：
　　[1] Three wireless charging reference designs should suit most requirements.(2012-6-26).[R/OL].
　　http://www.newelectronics.co.uk/electronics-technology/three-wireless-charging-reference-designs-should-suit-most-requirements/43281/
　　[2] 110 Qi-Enabled Products Certified By The Wireless Power Consortium.(2012-9-4).[R/OL].http://www.prnewswire.com/news-releases/110-qi-enabled-products-certified-by-the-wireless-power-consortium-168440166.html
　　[3]Wireless Charging Speaker.[R/OL].http://www.tdkperformance.com/en-us/Home-Audio/Boomboxes/Wireless-Charging-Speaker/
　　[4]WPC官网.[R/OL].http://www.wirelesspowerconsortium.com/
　　[5]飞思卡尔无线充电网页.[R/OL].http://www.freescale.com/wirlesscharging