無線充電技術(shù)（Wireless Charging Technology）是指在不借助金屬導(dǎo)線以及其他物理連接的條件下，以空氣為介質(zhì)進行電能傳輸，為設(shè)備進行充電，相對于傳統(tǒng)電能傳輸充電的方式，無線充電電能從發(fā)射端到接收端無須金屬導(dǎo)電接觸，因此充電器及用電的裝置都可以做到無導(dǎo)電接點外露，大大提高了用電設(shè)備的靈活性。
典型的無線充電技術(shù)可以分為電磁感應(yīng)式、電磁共振式、無線電波式以及電場耦合式四類。其發(fā)電原理依據(jù)的是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，當(dāng)電流通過線圈之后，發(fā)射線圈和接收線圈構(gòu)成一個電磁耦合感應(yīng)器，發(fā)射線圈由于交流電的不斷震蕩產(chǎn)生磁場，產(chǎn)生的磁場又會形成電壓，有了電壓之后便會產(chǎn)生電流，從而可以充電。
無線充電技術(shù)最早可以追溯到19世紀，克羅地亞物理學(xué)家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）提出：以地球為內(nèi)導(dǎo)體、地球電離層作為外導(dǎo)體，通過放大發(fā)射機以徑向電磁波振蕩模式，在地球與電離層之間建立起大約8Hz的低頻共振，利用環(huán)繞地球的表面電磁波來遠距離傳輸電力的無線輸電概念，不過最終由于缺乏經(jīng)費、危險系數(shù)過高等原因終止，但是科學(xué)家們留下了寶貴的理論依據(jù)。
無線充電方式已經(jīng)被應(yīng)用到了生活中的諸多領(lǐng)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。
2023年4月由無線充電聯(lián)盟WPC推出發(fā)布的最新無線充電Qi2標準，采用了磁功率分布圖技術(shù)，能以磁吸鎖定功能支持全新的產(chǎn)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(xiàn)快速充電。
歷史
1890年，尼古拉·特斯拉通過使用特斯拉線圈的技術(shù)，能夠通過電磁波在短距離內(nèi)進行無線電力傳輸。這項技術(shù)的實現(xiàn)是基于電磁感應(yīng)的原理，即當(dāng)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(chǎn)生電壓。
20世紀60年代，美國科學(xué)家William C.Brown便開始了微波無線電力傳輸?shù)母咝嶒炑芯浚㈤_發(fā)了基于磁控管的微波整流天線，但由于系統(tǒng)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(shù)的提出，為無線充電技術(shù)帶來了新的希望。該技術(shù)的原理是利用電磁共振的效應(yīng)，在接收器和發(fā)射器之間建立共振環(huán)境，實現(xiàn)高效傳輸。基于這項被稱為“無線電力”的技術(shù)，2007年6月，麻省理工學(xué)院研究團隊利用電磁共振器和電源經(jīng)過多次試驗，成功為兩米外的60瓦燈泡供電。該技術(shù)的最遠輸電距離還只能達到2.7米，研究團隊認為在此范圍內(nèi)能為電池充電，而且只需要安裝一個電源，就可以為整個屋里的電器供電。
2010年，在美國國際消費類電子產(chǎn)品展覽會(CES)上，海爾推出了“無尾電視”，推動了磁耦合諧振技術(shù)在智能家電領(lǐng)域的應(yīng)用。
2013年，東南大學(xué)研發(fā)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(chǎn)車型就由寶馬公司所制造。在車輛靠近無線充電設(shè)備時，系統(tǒng)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(shè)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(tǒng)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(fā)下，無線充電技術(shù)在各種領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。國際上先后出現(xiàn)了AirFuel、Qi和Powermat等多個行業(yè)聯(lián)盟，推動設(shè)備兼容性、標準化和應(yīng)用推廣。國內(nèi)技術(shù)公司也在無線充電技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用方面進行了努力。例如，小米、華為等大型科技公司都已經(jīng)推出了無線充電的設(shè)備和方案。
分類及原理
無線充電技術(shù)主要可以分為電磁感應(yīng)式、電磁共振式、無線電式及電場耦合式四類。
電磁感應(yīng)式充電
電磁感應(yīng)現(xiàn)象由邁克爾·法拉第 (Michael Faraday）于1831年發(fā)現(xiàn)，其主要原理是由于磁通量變化而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。電磁感應(yīng)式充電就建立在電磁感應(yīng)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，基于電磁感應(yīng)原理,電流流過電感線圈時將產(chǎn)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(chǎn)生電流。手機無線充電就是這種充電方式，應(yīng)用的也是最為廣泛。
典型的電磁感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)通過利用一對線圈之間的電磁感應(yīng)來實現(xiàn)充電，包括發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)。發(fā)射系統(tǒng)主要包括充電座部件中的內(nèi)置線圈，將該充電座插入插座接通電源，交流電通過發(fā)射線圈從而產(chǎn)生磁場，電子設(shè)備內(nèi)內(nèi)置的接收系統(tǒng)所包括的接收線圈接收到所產(chǎn)生的磁場后產(chǎn)生電磁感應(yīng)，進而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，所產(chǎn)生的感應(yīng)電流經(jīng)過整流后為電子設(shè)備充電。
如下圖的例子，該電磁感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)發(fā)送器由AC/DC電源轉(zhuǎn)換、驅(qū)動器、發(fā)射電感線圈、電壓與電流檢測以及控制器組成。
無線電接收機由接收線圈、整流、電壓調(diào)節(jié)(即穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器和一個控制器組成）。發(fā)送端周期性發(fā)射脈沖信號檢測可能存在的接收端，當(dāng)檢測到接收端時，收發(fā)端建立通信鏈路。在控制芯片的PWM控制下，通過AC/DC轉(zhuǎn)換芯片將直流轉(zhuǎn)為交流，經(jīng)發(fā)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(chǎn)生感應(yīng)電動勢，經(jīng)過整流電路和穩(wěn)壓調(diào)節(jié)電路向負載提供電壓。接收端實時監(jiān)測負載電壓電流變化，發(fā)送差錯等數(shù)據(jù)包，發(fā)射端通過解調(diào)發(fā)射電感的幅度變化獲取數(shù)據(jù)包，根據(jù)數(shù)據(jù)包信息增加或減少發(fā)射電感的頻率以達到收發(fā)端能量匹配，完成無線充電功能。
電磁感應(yīng)式充電設(shè)備通常在充電底座和手機終端內(nèi)部分別設(shè)置充電線圈。當(dāng)兩者接近時，發(fā)射線圈通過一定頻率的交流電，利用電磁感應(yīng)在手機接收線圈中產(chǎn)生電流，從而實現(xiàn)能量從發(fā)射端（充電底座）向接收端（手機）的轉(zhuǎn)移，完成供電過程。不過，該技術(shù)的有效充電距離較短，通常約為10毫米，且需線圈對準，否則充電效率會顯著降低。
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(xiàn)象。電磁共振方式的原理與這一共振現(xiàn)象相似，它利用電流通過線圈產(chǎn)生同頻率的磁場共振來實現(xiàn)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(tǒng)包括能量發(fā)送裝置和接收裝置，通過使能量發(fā)送裝置和接收裝置內(nèi)的電感線圈具有相同振動頻率，將線圈調(diào)校為磁共振系統(tǒng)并排列在磁場中，發(fā)送端與電源連接,發(fā)送端產(chǎn)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(chǎn)生共振，實現(xiàn)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(fā)射端和接收端達到特定頻率，從而產(chǎn)生磁場共振進而產(chǎn)生能量。相同共振頻率是磁場共振充電方式能量轉(zhuǎn)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(xiàn)代通信技術(shù)的基礎(chǔ)，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?shù)奈⒉ㄟM行充電。典型的微波輻射式充電系統(tǒng)包括微波發(fā)射裝置和微波接收裝置，微波發(fā)射裝置為直接插入市電插座的電子設(shè)備，微型接收端嵌入被充電電子設(shè)備內(nèi)，對發(fā)送器發(fā)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(fā)生器通過發(fā)射天線將能量傳輸至接收天線，再將電磁波信號重新轉(zhuǎn)成電能供設(shè)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(gòu)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(yīng)，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(chǎn)生的感應(yīng)電場來傳輸電力。
基本工作原理是：輸入端提供的直流電經(jīng)過高頻逆變轉(zhuǎn)換為交流電，再經(jīng)過發(fā)射端的補償結(jié)構(gòu)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(fā)射極板激發(fā)高頻電場，并與接收極板形成互電場，產(chǎn)生位移電流，將電能從發(fā)射端傳遞到接收端。經(jīng)過接收端補償結(jié)構(gòu)的電壓調(diào)節(jié)和整流濾波電路的變換，最終將交流電轉(zhuǎn)換為直流電提供給負載。
比較
電磁感應(yīng)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(yīng)式充電利用電感線圈感應(yīng)進行能量傳輸，傳輸?shù)木嚯x較近,基本上為厘米級別，要求充電器和被充電設(shè)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(xiàn)有的產(chǎn)品多為將電子設(shè)備放置在充電器平板表面進行充電的形態(tài)，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(shè)備，傳輸距離一般為幾米的范圍,但是由于該項技術(shù)要求以特定的頻率進行能量傳輸，因此需要設(shè)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(shù)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(shè)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(zhuǎn)換效率低，電磁輻射泄露風(fēng)險低。
無線充電標準
Qi 標準
Qi標準由無線充電聯(lián)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(lián)盟包括了包括三星電子、華為等多家主要手機、手機配件供應(yīng)商。Qi 標準主要基于電磁感應(yīng)式充電技術(shù)進行輸電。這一標準為無線充電提供了統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范,包括了性能、接口和法規(guī)三方面的內(nèi)容,現(xiàn)階段該標準對裝置的要求為5W以下(手機產(chǎn)品正好處于這個標準范圍內(nèi))，符合該標準認證（帶有Qi標識）的產(chǎn)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(chǎn)品之間的兼容性。
PMA 標準
由寶潔與Powermat公司合資經(jīng)營的Duracell Powermat公司發(fā)起的PMA聯(lián)盟（Power Matters Alliance縮寫），于2012年正式發(fā)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(chǎn)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(yīng)式充電技術(shù)進行輸電。PMA聯(lián)盟的目標是為符合IEEE 協(xié)會標準的手機和電子設(shè)備打造無線供電標準，在無線充電領(lǐng)域中具有領(lǐng)導(dǎo)地位，其支持提供在設(shè)備內(nèi)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 方式的無線充電卡片比SD卡大一圈，厚度較薄，內(nèi)部嵌入了用于電磁感應(yīng)式非接觸充電的線圈和電極等組件，只需將其安裝放置在手機的電池旁即可讓沒有內(nèi)置無線充電晶片的智能手機完成升級實現(xiàn)無線充電。
A4WP 標準
A4WP是Alliance for Wireless Power標準的簡稱，由美國高通、韓國三星集團、無線充電技術(shù)公司Powermat公司以及Ever Win Industries、Gill Industries、Peiker Acustic和SK Telecom等企業(yè)成立聯(lián)盟創(chuàng)建，這一標準主要基于電磁共振式充電技術(shù)進行輸電，發(fā)布于2012年，該標準的目標是為電子產(chǎn)品無線充電設(shè)備設(shè)立技術(shù)標準和行業(yè)對話機制，由于該標準采用電磁共振式充電技術(shù)，因此可以實現(xiàn)略遠距離的無線充電，并且所針對的產(chǎn)品范圍也更為廣泛，包括了從便攜式電子產(chǎn)品到電動汽車的多個領(lǐng)域,在充電時可提供更大的自由度，不需要將設(shè)備擺放在充電基座上。2014年2月，電腦廠商戴爾加盟了A4WP陣營，當(dāng)時，陣營相關(guān)高層就表示，會對技術(shù)進行升級，支持戴爾等電腦廠商的超極本進行無線充電。市面上的傳統(tǒng)筆記本電腦，大部分電源功率超過了50瓦，不過超極本使用了英特爾的低功耗處理器，將成為第一批用上無線充電的筆記本電腦。
iNPOFi標準
iNPOFi（“invisible power field”，即“不可見的能量場”）是一種新的智能無輻射無線充電技術(shù)，為中國自主研發(fā)。2013年發(fā)布，其核心技術(shù)擁有者硅展科技有限公司是2014年CES展中唯一獲得該領(lǐng)域殊榮的中國大陸企業(yè)。它摒棄了截止到2022年底常見的無線電和電磁感應(yīng)等無線充電技術(shù)原理，創(chuàng)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(guān)閉為基本工作原理實現(xiàn)無線充電，從而具備無輻射、高效率、低損耗、兼容性高、熱效應(yīng)微弱等諸多特點。中國泰爾實驗室測試結(jié)果顯示，其輻射增加值近乎零。因此，iNPOFi無線充電技術(shù)從根本上解決了截止到2022年底市場上較為流行的以電磁轉(zhuǎn)換和電磁共振原理實現(xiàn)無線充電而帶來的不可避免的能源浪費、輻射污染、電轉(zhuǎn)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(lián)盟WPC推出，意思為第二代Qi充電標準，是2023年4月發(fā)布的最新無線充電標準。
Qi2采用了磁功率分布圖技術(shù)，可確保設(shè)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(chǎn)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(jù)WPC官方數(shù)據(jù)，QI2標準可以在15W的功率輸出下實現(xiàn)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技術(shù)標準，比如AirFuel和Magnetic Field Communication等。
關(guān)鍵技術(shù)
無線充電技術(shù)主要包括方案設(shè)計、芯片制造、磁性材料生產(chǎn)、模組制造等環(huán)節(jié)，其中芯片制造和方案設(shè)計最為關(guān)鍵，投資占比也是最大，附加價值也最高，占據(jù)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(shè)備中的芯片包括發(fā)射端（無線充電發(fā)送器）芯片和接收端（無線充電接收器）芯片，發(fā)射端芯片負責(zé)將輸入電源按照特定頻段的無線電信號（Qi、PMA、A4WP均規(guī)定了不同的頻段）發(fā)送給對方，接收端端芯片負責(zé)將無線電信號轉(zhuǎn)換為電能，從而完成充電過程。電源芯片行業(yè)技術(shù)門檻較高，因此中國無線充電行業(yè)芯片（覆蓋接收端與發(fā)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(yè)將持續(xù)向高集成度、高充電效率、低功耗發(fā)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(jù)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(jù)線圈模組整體成本的70%，因此降低防磁片成本成為行業(yè)的關(guān)注焦點，部分企業(yè)替換防磁原料以降低主要零部件制造成本，例如高創(chuàng)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(chuàng)電子研發(fā)的新型防磁片以進入量產(chǎn)階段。銅制線圈負責(zé)產(chǎn)生或接收電源能量，防磁片和銅制線圈的品質(zhì)將 影響無線充電設(shè)備的效率。
磁性材料
無線充電涉及的磁性材料包括發(fā)射端磁材和接收端磁材，發(fā)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(fā)射和接收電感線圈間磁通量，提高傳輸率，同時作為發(fā)射和接收 之間的定位裝置，便于終端設(shè)備快速淮確定位。軟磁鐵氧體產(chǎn)品在無線充電中的主 要作用是增高感應(yīng)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(yè)包括 TDK、村田等電子元器件企業(yè)，中國本土企業(yè)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(huán)節(jié)技術(shù)要求相對較低，行業(yè)利潤率較低，模組制造廠商的利潤占據(jù)無線充電行業(yè)上游整體利潤的6%。模組制造行業(yè)主要由中國本土零組件廠商參與，代表性企業(yè)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(lián)盟（WPC）全球授權(quán)的14家測試中心之一，能夠獨立完成對無線充電產(chǎn)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(yè)提供產(chǎn)品電源解決方案拓展業(yè)務(wù)，如德賽電池向下游蘋果公司、三星電子等國際一流客戶提供移動產(chǎn)品電源的綜合解決方案增強業(yè)務(wù) 輻射范圍。
優(yōu)缺點
與現(xiàn)在的有線充電技術(shù)相比，兩者各有優(yōu)缺點：
應(yīng)用
隨著各項技術(shù)的成熟和無線充電需求的增加,無線充電技術(shù)的領(lǐng)域越來越廣泛。
未來展望
無線充電技術(shù)應(yīng)用范圍必將變廣。截止到22年底的交變電流電產(chǎn)生的電壓還較小，因此僅僅可以應(yīng)用于智能手機、小尺寸平板、筆記本等較小的移動設(shè)備，但經(jīng)過科學(xué)家的反復(fù)實驗，當(dāng)日后研發(fā)出可以產(chǎn)生更高的電流電壓的，系統(tǒng)和電路設(shè)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(shù)將廣泛的應(yīng)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(dāng)然，除了應(yīng)用范圍更廣之外，成本使用材料和設(shè)計的使用方式可能更加便捷。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，不僅電感線圈磁場可以進行發(fā)電，自然界的其他自然能量也可以進行發(fā)電，而且發(fā)電量不亞于物理發(fā)電，比如常見的太陽能發(fā)電、風(fēng)能、水能發(fā)電，都應(yīng)用于生產(chǎn)生活中的各個方面，因此，無線充電技術(shù)也將會與這些技術(shù)結(jié)合起來，為人類謀福造利。
另外，隨著高新技術(shù)以及AI技術(shù)的發(fā)展，采用傳統(tǒng)的線圈電磁感應(yīng)式進行無線電路設(shè)計顯然無法滿足人們的需求，因此無線電技術(shù)通過機器人來實現(xiàn)也未嘗不可，人工智慧的應(yīng)用范圍廣且質(zhì)量較高，很多方面甚至超過人類，因此無線發(fā)電技術(shù)機器化，智能化也必將是時代發(fā)展的潮流及方向。
參考資料 >