無線充電器（Wireless charger）是指在不借助金屬導線以及其他物理連接的條件下，依靠電磁波傳播并將其轉化為電能，為設備進行充電，其原理和變壓器相似，相對于傳統電能傳輸充電的方式，無線充電電能從發射端到接收端無須金屬導電接觸，大大提高了用電設備的靈活性。
無線充電器按照其工作原理可以分為電磁感應式、電磁共振式、無線電波式以及電場耦合式四類。其發電原理依據的是電磁感應現象，當電流通過線圈之后，發射線圈和接收線圈構成一個電磁耦合感應器，發射線圈由于交流電的不斷震蕩產生磁場，產生的磁場又會形成電壓，有了電壓之后便會產生電流，從而可以充電。
無線充電器最早可以追溯到19世紀，克羅地亞物理學家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）提出：以地球為內導體，地球電離層作為外導體，在地球和電離層之間建立低頻共振，利用環繞地球的表面電磁波來遠距離傳輸電力無線輸電概念，不過最終由于缺乏經費、危險系數過高等原因終止，但是科學家們留下了寶貴的理論依據。
無線充電器已經被應用到了生活中的諸多領域如手機充電，fcv的無線充電等等都是采用的無線充電方式。無線充電器作為一種便攜式的充電方式，對于充電器的位置沒有限制，就此而言其前景無疑是巨大的。然而，無線充電技術在發展過程中仍存在一些問題，例如充電效能不高、充電過程中的安全問題、實用性不足以及價格昂貴等。
2023年4月由無線充電聯盟WPC推出發布的最新無線充電Qi2標準，采用了磁功率分布圖技術，能以磁吸鎖定功能支持全新的產品外形，如AR / VR頭顯。該充電標準還可以在15W的功率輸出下實現快速充電。
歷史
1891年至1893年期間，尼古拉·特斯拉通過使用特斯拉線圈的技術，能夠通過電磁波在短距離內進行無線電力傳輸。這項技術的實現是基于電磁感應的原理，即當一個變化的電磁場通過一個電感線圈時，就會在該線圈中產生電壓。
20世紀60年代，美國科學家William C.Brown便開始了微波無線電力傳輸的高效實驗研究，并開發了基于磁控管的微波整流天線，但由于系統體積龐大等原因，故無商用可行性。
21世紀初期，磁耦合諧振技術的提出，為無線充電器帶來了新的希望。該技術的原理是利用電磁共振的效應，在接收器和發射器之間建立共振環境，實現高效傳輸。基于這項技術，2007年6月，麻省理工學院研究團隊利用電磁共振器和電源隔空點亮了一盞2m開外的60w電燈泡。
2010年，在美國國際消費類電子產品展覽會(國際消費類電子產品展覽會)上，海爾推出了“無尾電視”，推動了磁耦合諧振技術在智能家電領域的應用。
2013年，東南大學研發了磁耦合諧振式無線充電的fcv，單臺充電功率可達3kW。
2018 年，世界上第一款無線充電的量產車型就由寶馬公司所制造。在車輛靠近無線充電設備時，系統會自動打開位于底部的攝像頭，方便駕駛員進行定位。該車型搭配的無線充電設備充電是可使效率達到85%并且功率達到3.2kw，可以將容量為9.4kwh的高壓電池組在3.5小時充滿，同時，該系統也裝備了如物體探測和生物保護等功能。
近年來，在科技公司的積極開發下，無線充電器在各種領域得到了廣泛的應用。國際上先后出現了AirFuel、Qi和Powermat等多個行業聯盟，其中三大主流聯盟是Alliance for Wireless Power（A4WP）、Power Matters Alliance（PMA）及Wireless Power Consortium（WPC），它們致力于無線充電技術的開發及標準制定，推動設備兼容性、標準化和應用推廣。國內技術公司也在無線充電器的開發和應用方面進行了努力。例如，小米、華為（公司）等大型科技公司都已經推出了無線充電的設備和方案。
分類及原理
無線充電器按照其工作原理主要可以分為電磁感應式、電磁共振式、無線電式及電場耦合式四類。
電磁感應式充電
電磁感應現象由邁克爾·法拉第 (Michael Faraday）于1831年發現，其主要原理是由于磁通量變化而產生感應電動勢。電磁感應式充電就建立在電磁感應現象的基礎上，基于電磁感應原理,電流流過電感線圈時將產生磁場，此時，將另一未通電的線圈置入該磁場中，在該線圈中就會產生電流。手機無線充電就是這種充電方式，應用的也是最為廣泛。
典型的電磁感應式無線充電系統通過利用一對線圈之間的電磁感應來實現充電，包括發射系統和接收系統。發射系統主要包括充電座部件中的內置線圈，將該充電座插入插座接通電源，交流電通過發射線圈從而產生磁場，電子設備內內置的接收系統所包括的接收線圈接收到所產生的磁場后產生電磁感應，進而產生感應電動勢，所產生的感應電流經過整流后為電子設備充電。
如下圖的例子，該電磁感應式無線充電系統發送器由AC/DC電源轉換、驅動器、發射電感線圈、電壓與電流檢測以及控制器組成。
接收機由接收線圈、整流、電壓調節(即穩壓調節器和一個控制器組成）。發送端周期性發射脈沖信號檢測可能存在的接收端，當檢測到接收端時，收發端建立通信鏈路。在控制芯片的PWM控制下，通過AC/DC轉換芯片將直流轉為交流，經發射電感向接收端電力傳輸，接收端的接收電感由于電感耦合產生感應電動勢，經過整流電路和穩壓調節電路向負載提供電壓。接收端實時監測負載電壓電流變化，發送差錯等數據包，發射端通過解調發射電感的幅度變化獲取數據包，根據數據包信息增加或減少發射電感的頻率以達到收發端能量匹配，完成無線充電功能。身份識別和配置階段，電力接收器會發送一些數據包，對其進行身份識別，并向電力發送器提供配置和設置信息。
電磁感應式充電方式設備通常在充電底座以及手機終端分別內置充電電感線圈，當兩者靠近，發射線圈基于一定頻率的交流電通過電磁感應在手機接線圈中產生一定的電流，從而將能量從發射端轉移到接收端即從充電座向手機進行供電。
電磁共振式充電
共振是一種高效的能量傳輸方式，高音歌唱家歌唱時可以震碎玻璃杯就是人們所熟知的共振現象。電磁共振方式的原理與這一共振現象相似，它利用電流通過線圈產生同頻率的磁場共振來實現無線供電，傳輸距離和效率由磁場的強弱決定。
典型的電磁共振式無線充電系統包括能量發送裝置和接收裝置，通過使能量發送裝置和接收裝置內的電感線圈具有相同振動頻率，將線圈調校為磁共振系統并排列在磁場中，發送端與電源連接,發送端產生的振蕩磁場頻率與接收端線圈的固有振動頻率相同從而在接收端產生共振，實現能量的傳播。
電磁共振式充電方式是用諧振器件 (電感和電容)使發射端和接收端達到特定頻率，從而產生磁場共振進而產生能量。相同共振頻率是磁場共振充電方式能量轉移的必要條件。
無線電波式充電
該方式主要采用微波進行電能傳輸，微波指頻率在30MHz到300MHz之間的電磁波。電磁波俗稱無線電,是廣播、電視和現代通信技術的基礎，它除了傳輸信號之外，還可以傳輸電能，其中微波的能量傳輸能力最強。
微波輻射式充電的基本原理類似于早期使用的礦石收音機，通過接收空間傳輸的微波進行充電。典型的微波輻射式充電系統包括微波發射裝置和微波接收裝置，微波發射裝置為直接插入市電插座的電子設備，微型接收端嵌入被充電電子設備內，對發送器發出的安全的低頻電磁波進行捕捉。
無線電波式充電是在電源處安置電磁波發生器通過發射天線將能量傳輸至接收天線，再將電磁波信號重新轉成電能供設備使用。
電場耦合式
電場耦合式無線充電，，又可以叫做電容式無線電能傳輸（Capacitive 功率 Transfer，簡稱CPT），主要是通過金屬極板構成耦合電容來進行無線能量的傳輸不使用電感線圈進行電磁感應，可直接通過充電座和電器之間形成高頻電場。電場耦合式無線充電利用通過沿垂直方向耦合兩組非對稱偶極子而產生的感應電場來傳輸電力。
基本工作原理是：輸入端提供的直流電經過高頻逆變轉換為交流電，再經過發射端的補償結構電路進一步提升，得到高頻、高壓交流電并作用在耦合極板上。在此激勵電壓作用下，發射極板激發高頻電場，并與接收極板形成互電場，產生位移電流，將電能從發射端傳遞到接收端。經過接收端補償結構的電壓調節和整流濾波電路的變換，最終將交流電轉換為直流電提供給負載。
比較
電磁感應式、電磁共振式、無線電波以及電場耦合式充電方式，其中電磁感應式充電利用電感線圈感應進行能量傳輸，傳輸的距離較近,基本上為厘米級別，要求充電器和被充電設備的距離越近越好，并且接收線圈和電路之間需要進行屏蔽，現有的產品多為將電子設備放置在充電器平板表面進行充電的形態，適用于幾瓦到幾百瓦的功率。
電磁共振式充電理論上可以傳輸大功率的設備，傳輸距離一般為幾米的范圍,但是由于該項技術要求以特定的頻率進行能量傳輸，因此需要設定特定頻率進行保護，并且對線圈尺寸具有要求，如果線圈尺寸過小，接收端接收到的功率將大幅減小。
無線電充電的傳輸距離最遠，但是由于微波輻射式傳輸存在巨大的空間路徑損耗，因此該充電技術的傳輸功率小，僅能傳輸小于100毫瓦的功率，僅適用于功率非常小的電子設備。
電場耦合式適合遠距離小微功率充電，可以自動隨時隨地充電，能量轉換效率低，電磁輻射泄露風險低。
Qi指定三種不同的方法用于無線充電器的線圈校準，即：引導定位（磁引力）、自由定位（具有可移動的初級線圈）和自由定位（線圈陣列）。引導定位（磁引力）通過磁引力實現一對一的固定位置充電，為放置的充電設備和達到精確校準作引導，這種校準方法的優勢簡單，但需要一系列被磁鐵吸引的材料，因此，渦流相關的功率損耗（從而溫度升高）將被引誘磁吸引子；自由定位通過可移動線圈實現定位，但機械部件降低了系統可靠性；線圈陣列允許多個設備充電的同時不考慮他們的位置，與上面兩種方法相比，這種校準方法是以更昂貴、更復雜的繞組結構和控制電子元素為代價，提供了更多的用戶友好性。
無線充電標準
Qi 標準
Qi標準由無線充電聯盟WPC在2008年推出，是截止到22年底使用最為廣泛的無線充電標準。該聯盟包括了包括三星電子、華為（公司）等多家主要手機、手機配件供應商。Qi 標準主要基于電磁感應式充電技術進行輸電，主要針對便攜式電子產品如照相機、視頻和音樂播放器、玩具、個人護理及手機等。這一標準為無線充電提供了統一的技術規范,包括了性能、接口和法規三方面的內容,現階段該標準對裝置的要求為5W以下(手機產品正好處于這個標準范圍內)，符合該標準認證的產品將可以在任何一個符合該標準的充電器上充電，從而提高了不同品牌不同產品之間的兼容性。
PMA 標準
由寶潔與Powermat公司合資經營的Duracell Powermat公司發起，于2012年正式發布，其主要成員包括AT&T、谷歌和星巴克等公司，截止到22年底許多主流手機生產廠商，例如三星電子、華為等也同樣是PMA標準成員，這一標準同樣主要基于電磁感應式充電技術進行輸電。該標準的目標是為符合IEEE 協會標準的手機和電子設備打造無線充電標準，其支持提供在設備內建無線充電芯片和采用WiCC 無線充電卡兩種方式進行充電。其中WiCC 方式只需將無線充電卡片安裝放置在手機的電池旁即可讓沒有內置無線充電晶片的智能手機完成升級實現無線充電。
A4WP 標準
由美國高通、韓國三星集團和無線充電器公司Powermat公司成立聯盟創建，這一標準主要基于電磁共振式充電技術進行輸電，發布于2012年，該標準的目標是為電子產品無線充電設備設立技術標準和行業對話機制，由于該標準采用電磁共振式充電技術，因此可以實現略遠距離的無線充電，并且所針對的產品范圍也更為廣泛，包括了從便攜式電子產品到電動汽車的多個領域,在充電時可提供更大的自由度，不需要將設備擺放在充電基座上。
iNPOFi標準
iNPOFi智能無輻射技術為中國自主研發，2013年發布，其核心技術擁有者硅展科技有限公司是2014年CES展中唯一獲得該領域殊榮的中國大陸企業。它摒棄了截止到22年底常見的無線電和電磁感應等無線充電器原理，創新性地以脈沖信號檢測、階梯電流脈沖啟動、超低頻脈沖電場傳輸和緩坡脈沖關閉為基本工作原理實現無線充電，從而具備無輻射、高效率、低損耗、兼容性高等諸多特點。因此，iNPOFi無線充電器從根本上解決了截止到22年底市場上較為流行的以電磁轉換和電磁共振原理實現無線充電而帶來的不可避免的能源浪費、輻射污染、電轉換率低、兼容性差等問題。
Qi2充電標準
Qi2標準，同Qi標準一樣，由無線充電聯盟WPC推出，意思為第二代Qi充電標準，是2023年4月發布的最新無線充電標準。
Qi2采用了磁功率分布圖技術，可確保設備與充電器完美匹配，從而提高能效。此外，Qi2不要求平面對平面的連接，而是能以磁吸鎖定功能支持全新的產品外形，如AR / VR頭顯。它還將支持新型手機后蓋磁吸式配件，如外接電池。
與早期版本相比，QI2標準提供了更快的充電速率和更高的功率輸出。根據WPC官方數據，QI2標準可以在15W的功率輸出下實現快速充電，相比之下，QI1標準僅支持5W的功率輸出。
此外，還有一些其他的無線充電器標準，比如AirFuel和Magnetic Field Communication等。
關鍵技術
無線充電器主要包括方案設計、芯片制造、磁性材料生產、模組制造等環節，其中芯片制造和方案設計最為關鍵，投資占比也是最大，附加價值也最高，占據上游近40%利潤，截止到22年底還是以海外廠家為主。
電源芯片
無線充電設備中的芯片包括發射端（無線充電發送器）芯片和接收端（無線充電接收器）芯片，發射端芯片負責將輸入電源按照特定頻段的無線電信號（Qi、PMA、A4WP均規定了不同的頻段）發送給對方，接收端端芯片負責將無線電信號轉換為電能，從而完成充電過程。電源芯片行業技術門檻較高，因此中國無線充電行業芯片（覆蓋接收端與發射端）市場多以高通、德州儀器、英特爾、IDT等海外巨頭為主，未來電源芯片行業將持續向高集成度、高充電效率、低功耗發展。
線圈模組
電感線圈模組由防磁片和銅制線圈組成，該原料的制造成本占據無線充電模組制造成本的40%，防磁片的功能為防范電磁干擾影響行動通訊芯片，通常防磁片采用常見的磁性元件，防磁原料成本占據線圈模組整體成本的70%，因此降低防磁片成本成為行業的關注焦點，部分企業替換防磁原料以降低主要零部件制造成本，例如高創電子以納米晶制成的新一代防磁片以取代舊防磁片，截止到22年底高創電子研發的新型防磁片以進入量產階段。銅制線圈負責產生或接收電源能量，防磁片和銅制線圈的品質將 影響無線充電設備的效率。
磁性材料
無線充電涉及的磁性材料包括發射端磁材和接收端磁材，發射端磁材為永磁體（永磁鐵氧體、稀土釹鐵硼永磁體）和軟磁鐵氧體，接收端使用軟磁鐵氧體。 磁性材料可用于增強發射和接收電感線圈間磁通量，提高傳輸率，同時作為發射和接收 之間的定位裝置，便于終端設備快速淮確定位。軟磁鐵氧體產品在無線充電中的主 要作用是增高感應磁場和屏蔽線圈干擾。截止到22年底布局磁性材料市場的海外企業包括 TDK、村田等電子元器件企業，中國本土企業包括橫店東磁、寧波韻升、天通股份、 信維通信等。
模組制造
模組的封裝制造環節技術要求相對較低，行業利潤率較低，模組制造廠商的利潤占據無線充電行業上游整體利潤的6%。模組制造行業主要由中國本土零組件廠商參與，代表性企業包括普瑞賽斯、立訊精密、信維通信等，普瑞賽斯是無線充電聯盟（WPC）全球授權的14家測試中心之一，能夠獨立完成對無線充電產品的Qi認證。 部分中國本土零組件廠商通過向其他電子企業提供產品電源解決方案拓展業務，如德賽集團向下游蘋果公司、三星電子等國際一流客戶提供移動產品電源的綜合解決方案增強業務 輻射范圍。
優缺點
與現在的有線充電器相比，兩者各有優缺點：
應用
智能手機和平板電腦
在其最初針對的低功耗便攜式電子產品領域已經獲得了很好的成果,包括蘋果、諾基亞等著名生產廠商已經推出了多款針對手機等電子產品的無線充電產品。
電動汽車
無線充電器在電動汽車的充電方面具有很大的潛力。可以通過在道路上布設充電線圈或在車庫內安裝無線充電墊進行充電。
家庭電器
無線充電器也可以應用于家用電器，比如智能音響、電動牙刷等，使得這些設備不再需要使用充電線。
醫療設備
植入式醫療電子產品的無線充電日益成為研究熱點,在心臟起搏器、內窺鏡等應用方面得到了積極的發展。
工業設備
無線充電器也可以應用于工業設備，比如機器人、傳感器等，可以在無需人工干預的情況下進行充電，提高設備的智能化和實用性。
未來展望
無線充電器應用范圍必將變廣。截止到22年底的交變電流電產生的電壓還較小，因此僅僅可以應用為手機，筆記本等較小的物體，但經過科學家的反復實驗，當日后研發出可以產生更高的電流電壓的，系統和電路設計后，就可能給電動車，汽車等更為龐大的物體充電，無線電技術將廣泛的應用于生活的各個方面，所有使用有線充電的器具都將可采用無線充電。
當然，除了應用范圍更廣之外，成本使用材料和設計的使用方式可能更加便捷。隨著科學技術的發展，不僅電感線圈磁場可以進行發電，自然界的其他自然能量也可以進行發電，而且發電量不亞于物理發電，比如常見的太陽能發電、風能、水能發電，都應用于生產生活中的各個方面，因此，無線充電器也將會與這些技術結合起來，為人類謀福造利。
另外，隨著高新技術以及AI技術的發展，采用傳統的線圈電磁感應式進行無線電路設計顯然無法滿足人們的需求，因此無線電技術通過機器人來實現也未嘗不可，人工智慧的應用范圍廣且質量較高，很多方面甚至超過人類，因此無線發電技術機器化，智能化也必將是時代發展的潮流及方向。
參考資料 >