解读无线充电技术在多层次生态系统结构之中的应用

随着物联网（IoT）、可穿戴和便携式设备的发展，消费者开始厌倦杂乱的电缆和需要频繁充电的电池。无线充电的优势远远不止于摆脱线缆的束缚。当前市场上各种各样的近场、远场充电无线技术，其中包括感应式、谐振式、RF、超声及红外线充电，这些技术都需要遵循不同的标准，也需要不同程度的折中。随着人们对无线世界的向往，预计充电技术将出现急剧增长。

什么是无线充电？各项技术之间有何区别？

我们首先从回答这些问题开始。

许多人将无线充电简单理解为感应式或短距离谐振充电。尽管两者均为无线充电形式，但并不代表全部。“无线”意味着取消了电缆和适配器;而消费者真正想要的不但是摆脱电缆的束缚，而且要避免繁琐的操作，保持不间断的能源供给。

采用感应和谐振的近场方法不能满足消费者需求。无论是感应式还是谐振式充电，仅仅是用“放好”代替了“插好”，值得庆幸的是新技术的不断涌现，包括RF、超声、WiFi及红外等。

永不断电听起来很棒，前景一片光明，但道路曲折，需要多个实体通力协作，建立电源链的金字塔。

无线充电技术具有多层次生态系统结构

1. 设备制造商位于供应链金字塔的顶端，因为我们日常使用这些设备，而且处于面对用户体验的最前沿。其中包括各种品牌的手机、运动手表/健康手环、智能家居和汽车等。据报道英国已经发起了一项旨在建立“充电通道”的活动，以减少电动汽车电量耗尽的几率。Intel也有望在2017年发布无线笔记本电脑。 Google及其他公司正在努力打造各种电动车无线充电系统。每家设备制造商都拥有自身的功率发送、接收器，例如充电垫和支架。设备制造商决定采用哪种充电方法，以优化其用户体验并保证回报最大化。

2. 金字塔的中段包括标准机构、技术推动者以及系统制造商。中间层对消费者是不可见的，但对于最终的成功和技术普及至关重要。这一层面临的首要风险是过时，因为新技术和方法不断推陈出新。

在过去十年间，已经建立了各种不同的充电标准，试图规范近场充电技术。Qi标准的推动者是无线充电共同体（WPC）（感应式：短距离单个设备）;成立于2008年，目前自称有超过200家会员公司。其传输功率大约5W，足以满足智能手机要求。Rezence标准的推动者是A4WP （谐振充电：较大范围内的多设备充电）。PMA与Qi非常类似，区别在于工作频率。

充电标准定义设备之间的兼容性，按照Qi标准设计的充电垫无法为按照PMA规范设计的手机充电。每种标准都定义了线圈耦合类型、配置，以及无线设备的通信协议。为了适应采用不同充电标准的设备，基础设施公司就必须同时支持两者。

2015年6月，无线充电联盟（Alliance for Wireless Power，A4WP）和电源事务联盟（Power Matters Alliance，PMA）宣布战略性合并，震动了整个无线充电行业。2015年11月，合并后的新机构重新命名为AirFuel Alliance。这次合并是实现长期目标的重要一步：消费者无论走到哪里，无论是在饭店、汽车还是家中，设备充电将能实现互操作，非常便利。

RF、超声和红外技术已经涉足远场充电。无论基于何种技术，概念都类似，但具体的传感器技术不同：RF使用天线到天线，传输到变送器的光将光能转换为电能，而超声将超声波压力转换为电能。每种技术都有一定的局限性：超声和光不能穿透墙壁，RF功率随距离衰减严重。

所有这些技术的目的都集中地将功率透射到位于特定位置的耦合设备上，而不是在空间上均匀传播。这种定向透射可规避健康问题并提高传输效率。也正像近场充电一样，支持某种技术的接收器不能使用通过不同介质发送射束的功率发送器进行充电。基于RF的健康手表不能与超声功率发送器通信。

这些标准定义每种设备沟通所用的语言。尽管标准机构之间的竞争是好事，但需要将具体的应用合并，以保证互操作性。

技术推动者是设计和制造IC以及变送器，并将其提供给设备制造商的公司。Maxim Integrated等半导体公司提供专门用于近场无线充电的各种电源产品、方案。这些公司既具有创新性，同时也遵守充电标准设定的规范，并具有引领市场的能力。例如，Energous和Ossia正竭力通过RF电源IC来引领近场充电的趋势。

系统制造商为已有消费类产品设计配件，使其能够进入无线充电领域。Powermat是中间技术的很好范例，用于不支持无线充电的手机。他们制造与充电垫配合使用的充电环，用于手机充电。uBeam则致力于提供蜂窝手机外壳，通过超声充电。这两家公司不是将无线充电技术嵌入到消费类设备，而是专注于制造配件，为现有产品提供完备的方案。

系统制造商的成功高度依赖于基础设施。如果办公室的办公桌已经嵌入了充电垫，或者会议室已经安装了超声功率路由器，那么消费者更可能采用兼容的配件。

3. 安全性和基础设施位于金字塔的底部，是加速无线充电普及过程中谈及最少的部分。根据IHS在2014年的调研数据，70%的消费者每天至少为一个设备充电一次。家、办公室和汽车是人们为其设备充电的常见环境。无线充电部署是双向的：设备不仅应该支持无线充电技术，而且应该有足够的热点供其充电。一旦基础设施部署到位，其普及将会水到渠成。

安全性是无线充电的重要环节，特别是远场功率发射束。射频（RF）安全性取决于在不损害人类健康的情况下可施加的辐射量。美国联邦通信委员会 （FCC）负责规范人类暴露在RF场的安全水平。安全水平是根据信号频率及其承载的能量组合规定的。各种RF技术都尽量采用弱能量包，然后在接收端累计，将这些能量包转换到可用的能量水平。吸收率（SAR）用来定义这些限值。已经发现，在某种频率和功率水平下，人类皮肤的温升高于相当功率水平下的其它频率。SAR规定了可在人群附近使用的频率范围和功率水平，使温升达到最小。ANSI在无线充电设计方面采用SAE J2954，在无线充电安全性方面采用UL 2750。J2954对保证不同供应商的发送、接收器之间的互操作性至关重要。美国保险商实验室协会（UL）也正在制定低能量近场能量传输方面的要求。 UL 2738适用于感应式近场能量传输系统。UL也正在制定电动汽车无线充电系统的安全要求。这些规范强制要求最终产品必须实现安全工作才能投入市场共消费者使用。

IKEA是第一家宣布在家庭和办公环境部署无线充电的公司，并且汽车也已经开始包括无线充电控制台。设备和系统制造商是否应该与办公设施公司协作，在每张桌子上安装充电垫以及/或者在每个会议室安装路由器？

“好也好，坏也好，美国是车轮上的国家。为了到达目的，90%的美国人自称通常开车前往，据报告每天在汽车上的时间平均为87分钟。”——美国广播公司新闻调查，美国的交通。

消费者接受任何创新技术都需要时间。无线技术公司需要积极寻求与现有设施建造者合作，以加速这一过程。随着家居变得越来越智能，也许值得在已安装到天花板的智能消防报警器中嵌入无线能量传输技术。随着移动及IoT设备的爆发式增长，以及GM、Toyota和Fiat/Chrysler等公司均已开始提供用于智能电话的无线充电，预计车载、近场无线充电的普及将会进一步加快。

结论

无线充电不仅仅是省去电源线，而是关乎到电源管理和便利性;也不仅限于感应式或谐振式充电。远场充电是创新关键。我们的电子设备需要足够智能，实现自身充电。然而，主要参与者拥有机会通过建立自身的充电技术来加快其普及。在无线充电商业化的早期阶段，基础设施公司面临太早过时的风险。无线充电OEM 公司需要主动与已有的基础设施建造者建立合作，利用当前标准，推动消费者的接受度。

无线充电技术的普及具有多层次的生态系统结构。每种方法得到消费者最终接受需要多种实体之间的紧密合作：半导体、消费类设备、家具、零售、汽车以及公共设施。

在不断变化的生态系统中获得主导地位的无线充电技术才能够生存并最终发展壮大。