无线充电启航

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无线充电联盟(WPC)主席曼诺•特里夫斯与一众嘉宾按动手中的激光笔,当激光束打在绿色按钮上,一个大大的“Qi”字标志被点亮。

在8月31日于北京举办的无线充电技术国际标准“Qi”首发仪式上,这个模仿无线充电过程的动作,让人联想到美国麻省理工学院的著名实验:2007年6月,马林•索尔贾希克领导的麻省理工学院研究团队给一个直径60厘米的线圈通电,点亮了2米之外连接在另一个线圈上的60瓦灯泡。

该实验在美国《科学》杂志上发表后,引起巨大反响,使得电磁感应发电这项诞生于100多年前的技术,再度进入大众视线,点燃了市场对无线充电技术的热情。

Powercast、WildCharge和Powerbeam等多家专门从事无线充电产品开发的公司相继浮出水面,马林•索尔贾希克也成立了一家名为WiTricity的公司,继续推进无线充电技术的改进和商业化。

2008年12月17日,WPC应时而生。不过,与麻省理工学院的实验方向不同,WPC认为远距离无线充电没有效率,倡导近距离电磁感应技术。

作为飞利浦公司标准化部门主管,WPC主席曼诺•特里夫斯希望将已经在飞利浦电动牙刷上实现商用的无线充电技术,应用在更为普遍的设备和领域中。

技术比拼

“充电牙刷主要是应用电磁感应技术,而麻省理工大学的实验来自电磁谐振原理。”中国科学院电工研究所前沿探索部顾问童建忠告诉《财经国家周刊》记者,“一直应用于传递信息的无线电波,也是无线能量传输的一种方式。利用天线实现发射和接收无线电波方式可实现80%以上的传输效率。此外,还可以靠激光束传输,但应用难点在于激光束需要有固定通道。”

不过,在目前无线充电主要的几种方式中,最为常见的还是电磁感应技术。“类似于传统的变压器,通过初级和次级线圈的互感作用产生电流。”童建忠介绍说,当两个线圈距离很近时,其中一个产生的磁场分布,将在空气中与另一个线圈勾连起来,感应出电动势,实现功率的传递。

而当线圈间距逐渐增大时,磁场能量会随距离的增加而衰减,传输随之受到影响,直到不再发生感应。而利用电磁谐振原理,可在稍远的距离上实现磁耦合,使得两个振动频率相同的物体之间高效地传输能量。

在实际的实验中,马林•索尔贾希克小组还使用了谐振天线。当发射端通电时,并不会直接向外发射电磁波,而是在周围形成一个非辐射的磁场,用来与接收端联络并激发谐振。一旦发射端与接收端频率相同,就会形成一个谐振系统,能量可以在系统内部传输,而不会对外面的物体产生影响。这同时解决了传输能量时的损耗问题。

2007年的公开演示中,利用电磁谐振原理实现的无线充电效率只能达到40%。

2008年8月,在英特尔开发者论坛(IDF)上,约书亚•史密斯领导的研究小组向麻省挑战,将基于电磁谐振技术的无线充电传输效率提升到75%。而马林•索尔贾希克也随即宣称已将传输效率提高到了90%,下一步研发目标将转向缩小线圈体积,同时增加传输距离。

随着无线充电成为技术比拼的擂台,各种无线充电产品也成为各种消费电子展上的常客。从戴尔Latitude Z笔记本的无线感应充电基座,到微软uPad无线充电板装置;从Palm Pre手机无线充电底座,到海尔“无尾”概念电视。各大消费电子厂商都在尝试引入无线充电功能。

而无论电磁感应还是谐振技术,得以实现的基石,都来自于迈克尔•法拉第在1831年发现的电磁感应理论,以及1890年尼古拉•特斯拉确立的无线输电构想。

“尽管各种技术的历史悠久,但我们现在才开真正了解无线充电解决方案的市场潜力。”市场研究公司In-Stat公司首席技术战略专家吉姆•麦格雷戈表示。

根据In-Stat的报告,到2014年,用于移动设备无线充电的市场收入将高达43亿美元。

应用难题

与之相比,国内无线充电研究和应用尚处于起步阶段,但从事手机无线充电产品的大小公司已不在少数。在国家知识产权局的专利检索页面,输入“无线 充电”字样,各种专利认证达63个之多,其中大多与手机无线充电技术相关。

在很多公司的宣传页面上,甚至可以看到各色山寨版的“线圈灯泡”实验,以证实其无线充电技术所言非虚。

“不是说两个线圈一弄,灯泡亮了,就是无线充电。”深圳市启欣科技有限公司无线充电项目技术负责人薛金海对《财经国家周刊》记者说,“基本原理大家都知道,但能否真正安全和高效地应用到手机上,还有很多难题需要解决。”

具体到安全问题,主要包括两个层面。一是如何保证电磁波只辐射到手机接收部分,不会影响到人体健康,或干扰其他设备;二是让电磁辐射在错误使用情况下不至于损坏电池和充电器,比如识别无线充电器上的异物,防止锂电池过热导致的变形或爆炸的危险等。

“这些都要通过大量的软硬件工作来实现。”薛金海表示,“在传输效率方面,号称能达到90%以上的不大可信。有线充电的效率大概也就是87%左右,对于无线充电来说,外壳的厚度也会影响到充电效率。在5mm厚度情况下,传输效率最高能达到70%。”

7月23日,WPC历时18个月,推出首个无线充电标准Qi,用于手机和数码相机等不超过5瓦的低功率设备。针对市场上主要采取的电磁感应技术,Qi标准在“界面规范、测试程序、最低性能要求”三个方面进行了规定。

不过WPC也承认,在市场发展上仍需分阶段逐步过渡,尚有很多问题待解决。

不确定的未来

“我觉得中国无线充电市场还没有形成,实际的接受程度怎么样还值得探讨。”薛金海说。

无线充电技术此前多应用在专业领域,需要保证产品密闭性的地方,如水下设备、体内医疗装置等。但面对庞大的消费级设备市场,这项处于起步阶段的技术,能否说服人们“摆脱最后一根线缆”,还是未知数。

据悉,WPC将在10月启动中等功率(不超过120瓦)技术规范的制定工作,以求将Qi继续拓展到笔记本电脑、上网本、电动工具、家用电器等更多领域。

但薛金海认为,在具体实现过程中,仍然面临很多新的技术课题。

实际上,在同样的近距离电磁感应技术下,充电方式仍然分很多种。比如手机是摆在固定位置,还是随意放置,在保持兼容性方面,仍然有很多技术细节上的工作要做。另外,目前Qi主要为一些约束性建议,强化互通互用,但没有对充电效率下限做出明确规定。

“效率低于40%没有意义。”薛金海说,“而如何将目前已有成熟产品,或者Palm这样的本身已成既定标准的技术加入进来,或许是WPC面临的更大问题。”