全球無線充電技術及其發(fā)展態(tài)勢分析

文 祝毓 楊帆

總體看來，我國無線充電技術在發(fā)展階段上基本與國際同步。

隨著各項技術的成熟以及對無線充電需求的增加，無線充電技術（Wireless Charging Technology）領域的發(fā)展日益引起各方關注。本文基于上海市軟科學研究基地——前沿技術發(fā)展研究中心的有關成果，研究分析無線充電技術的技術原理、標準和發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢。

無線充電技術是指不通過導線而是通過電磁感應、電磁共振、射頻、微波、激光等方式經由空氣介質實現(xiàn)非接觸式電能傳輸?shù)募夹g。相較于傳統(tǒng)的電力傳輸，無線充電技術無需布線和充電端子，具備較高的便捷性。隨著電力電子器件、功率變換和控制技術的發(fā)展，無線充電技術在轉換率、低輻射等方面逐漸取得突破，目前無線充電已經在電動牙刷、電動剃須刀、無繩電話等部分家電產品中實現(xiàn)實用化，現(xiàn)在其應用范圍又擴大到了智能手機領域及電動汽車和列車領域，未來無線充電技術將不斷擴展到醫(yī)療、電力、航空航天、節(jié)能環(huán)保等更多領域。

無線充電關鍵技術取得突破，高效率是未來主攻方向

四類技術基本成熟，磁共振方式應用前景看好。按可供電范圍的差異，可將目前無線充電技術分成電磁感應方式、電場耦合方式、磁共振方式和電波接收方式（如表1所示）。其他新技術也在不斷涌現(xiàn)，如日本村田制作所提出的借助開關技術大幅提高無線充電系統(tǒng)整體電力傳輸效率的技術——“直流共振方式”，目前尚在研發(fā)中。

表1 主要的無線充電技術

當前最成熟、最普遍的是電磁感應方式，近幾年必定它是無線充電的主流模式。磁共振方式因其具有自由度較大、無輻射和無電磁干擾的優(yōu)點，未來應用前景最好，被認為是最有希望廣泛應用于電動汽車的一種無線充電方式。業(yè)內已在探討采用即使供受電器方向不一致也能供電的磁共振方式，利用十字路口路旁縱向設置的供電器向汽車下方設置的受電器充電；或是在高速公路的中央分離帶設置供電器，為行駛在高速公路上的汽車進行“行駛供電”，由此將帶來公路等社會基礎設施領域的巨大變革。但是磁共振方式的充電距離與其線圈本身的Q值相關，因此對材料具有較高要求。

高效率是未來主要突破方向。四類技術均面臨隨著距離增加而電力利用效率下降的問題。電磁感應方式從微小電力到100kW以上的大電力均可實現(xiàn)傳輸，充電效率在70%左右；磁共振方式可實現(xiàn)向數(shù)十厘米至數(shù)米距離的無線傳輸電力，在遠離供電底座的垂直方向上擁有較高的自由度，但距離增加會降低充電效率，約為40%～60%；電場耦合方式的傳輸距離較短，充電效率為70%左右；電波接收方式適用于大范圍且不易受環(huán)境影響的電能傳輸，傳輸效率也較低。因此提高無線充電的效率成為未來主要的突破方向。

應用研發(fā)與商業(yè)化是各研發(fā)主體布局的熱點。目前各研發(fā)主體均已在無線充電技術領域展開布局，加速其應用研發(fā)和商業(yè)化。發(fā)展最為成熟的電磁感應方式已進入市場開拓階段，Powermat、三洋電機、精工愛普生、昭和飛機工業(yè)、Fulton Innovation等眾多企業(yè)在汽車、輕軌等方面進行技術開發(fā)。高通、WiTricity、索尼、長野日本無線、TDK等企業(yè)和研究機構正在推進汽車等多領域的磁共振充電技術研發(fā)。村田制作所則用約3年時間進行電場耦合方式的技術開發(fā)和提高，構筑了以基本專利為中心的專利網，試制完成了為平板終端及電子書等便攜式終端提供無線充電的充電臺。電波接收方式較為領先的有英特爾、日本電業(yè)工作、Powercast等，Powercast研制的微型高效接收電路可以捕捉從墻壁彈回的無線電波能量，在隨負載做出調整的同時保持穩(wěn)定的直流電壓，其已與飛利浦公司簽署合作協(xié)議，進一步推進商業(yè)化。

無線充電產業(yè)剛剛起步，各大企業(yè)布局加速

無線充電技術產業(yè)及市場情況。無線充電技術現(xiàn)已在包括智能手機、PC電視、電動汽車等多個領域實現(xiàn)應用，無線充電方案已基本成熟，現(xiàn)在重點關注的是成本和兼容性。據(jù)市場研究公司IHS iSuppli數(shù)據(jù)分析，2011年全球無線充電設備銷售收入達8.858億美元，比2010年增長616%，隨后幾年呈急劇增長態(tài)勢；預計2014年配備無線充電功能的設備出貨量將由2010年的360萬臺增長65倍，增至2.35億臺，市場規(guī)模將增至180億美元；2015年將達到240億美元左右。

主要優(yōu)勢企業(yè)。隨著無線充電技術的成熟和應用范圍的擴展，各大企業(yè)紛紛開展研究并取得成果。在電磁感應技術方面，高通公司在收購新西蘭奧克蘭大學創(chuàng)建的風險企業(yè)HaloIPT后，基于這一領域的大量專利進行“感應電力傳輸”技術開發(fā)，2012年與法國雷諾公司就開發(fā)純電動車用無線充電技術簽署備忘錄，在倫敦使用雷諾公司和英國Delta Motorsport公司的50輛電動汽車開展電磁感應方式無線充電實證試驗。在磁共振技術方面，由MIT研究小組成立的WiTricity擁有175個磁共振相關專利，其開發(fā)的無線充電技術在輸出功率為3.3千瓦、傳輸距離為20厘米的情況下，綜合效率達90%；同時與Delphi、三菱汽車、IHI、豐田等皆有合作開發(fā)，并向半導體公司聯(lián)發(fā)科（MediaTek）授權提供磁共振技術。在電場耦合技術方面，這一領域較為領先的包括日本竹中工務店、村田制作所等，其中竹中工務店基于電場耦合開發(fā)的無線電力傳輸技術支持水平方向的錯位，并且不使用鐵氧體及利茲線圈，由此可降低產品的重量及成本。

技術標準。各類無線充電技術標準競爭激烈，目前全球無線充電技術標準主要有Qi標準、A4WP標準和PM A 標準三種。基于電磁感應方式的Qi標準，由無線充電聯(lián)盟WPC（Wireless Power Consortium）制定，是唯一向所有廠商都開放的標準。Qi采用較小的感應線圈，能夠較容易地在較高頻率下傳輸能量；但是由于充電距離較短，因此在實際使用中不夠靈活。目前，Qi標準從移動終端向高功率的數(shù)碼產品，甚至基礎設施無線充電設備領域不斷擴展，全球市場上已有562款Qi認證產品，包括產品和組建。WPC聯(lián)盟成員已達200多家，包括Convenient Power、Fulton Innovation、美國國家半導體、奧林巴斯、飛利浦、高通等，涵蓋電池、消費電子、設備制造、基礎設施等眾多領域。基于磁共振方式的A4WP標準，全稱Alliance for Wireless Power，由高通、三星以及Powermat共同創(chuàng)建，為包括便攜式電子產品和電動汽車在內的電子產品無線充電設備設立技術標準和行業(yè)對話機制，推進磁共振方式無線充電技術標準化。由于該聯(lián)盟成立較晚，目前采用A4WP技術標準的產品不多。為提高傳輸效率，A4WP采用了更大的輸出線圈，能同時為多臺設備充電；同時由于設定了精確的共振頻率，使得微弱的感應磁場也能為設備充電，從而擴大了充電范圍；A4WP還可以根據(jù)充電設備的數(shù)量和缺電狀況自動調整能量分配方案，以實現(xiàn)節(jié)能目的。目前A4WP聯(lián)盟已有超過40個成員，包括三星、Qualcomm、Broadcom、Gill Industries、英特爾和SK Telecom等。基于電磁感應方式的PMA標準，全稱Power Matters Alliance，2012年由Duracell Powermat公司（寶潔與無線充電技術公司Powermat合資經營）發(fā)起制定，致力于為符合IEEE協(xié)會標準的手機和電子設備打造無線充電標準。PMA標準充電方式有兩種：一是內建無線充電芯片，二是采用WiCC無線充電卡，充電卡只需安裝在移動設備的電池上，缺點是不能直接用在無法拆卸電池的設備上。PMA聯(lián)盟目前包括美國聯(lián)邦通訊委員會（FCC）、AT&T、Starbucks、三星、Broadcom、LG、華為、Google等100多家企業(yè)，涉及通信、消費設備、汽車、零售等多行業(yè)領域。2013年10月高通也加入PMA聯(lián)盟，協(xié)助開發(fā)能同時支持低頻電磁感應及高頻電磁諧振兩種無線充電技術的新規(guī)格產品。

除企業(yè)聯(lián)盟外，美國、歐洲和日本等標準化機構或相關協(xié)會團體也抓緊推進無線充電技術標準，探索在多領域的實用化。國際電工委員會（IEC）和國際標準化組織（ISO）的共同工作組“PT61980”正在推進電動汽車領域的無線充電技術標準化；日本總務省、JARI（日本汽車研究所）、JSAE （日本汽車技術會）、JEITA（日本電子信息技術產業(yè)協(xié)會）等都在進行無線充電技術的研究和標準制定工作。

我國無線充電技術發(fā)展現(xiàn)狀

總體看來，國內無線充電技術雖然起步較晚，但在發(fā)展階段上基本與國際同步，即快速成長期。

技術研發(fā)快速發(fā)展。2011年山東省青島市科技發(fā)展戰(zhàn)略研究所、山東科技大學、青島科技大學、海爾集團超前技術研究中心共同繪制完成了“無線電力傳輸產業(yè)技術路線圖”，從資源基礎、研發(fā)需求、技術壁壘、行業(yè)需求、產業(yè)目標等方面描繪了無線電力傳輸產業(yè)發(fā)展的路徑。同時，一些企業(yè)通過獨立或是合作研發(fā)，在無線充電技術上取得重要突破并已投入使用。2013年硅展科技公司研發(fā)并擁有自主知識產權的“INPOFI智能無線充電技術”在美國國際消費電子展上獲得零售商熱門獎，這項技術具備無輻射、高電能轉化效率、熱效應微弱等特性，填補了國內在無線充電技術方面的空白。比亞迪取得了應用電磁感應技術的非接觸感應式充電器專利。中興通訊與東風汽車開展合作，并于2014年正式啟動我國第一條投入商用的無線充電公交示范線，其中大功率無線充電技術完全使用我國自主知識產權，率先實現(xiàn)新能源汽車無線充電技術產業(yè)化。

標準起草加快推進。中國有著全球最大的消費電子市場，但國內尚無規(guī)范的無線充電技術標準，目前國家和企業(yè)層面都在加快推進無線充電技術標準的制定。從國家層面來看，2011年，中國通信標準化協(xié)會啟動了有關無線充電技術和標準的研究，其《近場無線充電技術研究》已獲報批，已完成《無線電源設備電磁兼容標準性要求和測量方法》、 《短距離及類似設備電磁照射符合性要求和評估方法》、《無線電源設備技術要求和測試方法 第1部分：通用要求》報批稿。2012年，中國國家標準化管理委員會批準了第一個無線充電國家標準計劃——電子信息產品低功率無線充電技術規(guī)范。全國信息技術標準化委員會也啟動相關工作，由中國電子、桑菲通信、電信研究院、海爾等9家企業(yè)和機構組成標準起草小組，進行頻率、協(xié)議方面的研究以及標準草案的起草。從企業(yè)層面來看，“INPOFI無線充電聯(lián)盟”接納了包括手機、平板電腦、相機等企業(yè)通過戰(zhàn)略合作協(xié)議方式加入，共享INPOFI智能技術方案。但硅展科技公司要想在國際上推廣自己的INPOFI智能無輻射充電技術標準，勢必受到多方阻擊。因此政府對推動自主無線充電技術標準、打破國外技術壟斷具有至關重要的作用。

參與國際競合能力亟待增強。從關鍵領域看，國外無線充電技術最主要的領域是充配電及電能存儲、磁體材料、電動汽車；國內有將近一半比例集中于充配電及電能存儲，其他領域分散而零碎，特別是電動汽車領域較少。從區(qū)域發(fā)展來看，目前中國市場上有25%左右的無線充電專利來自日本、中國臺灣、美國、韓國、德國等地區(qū)。此外，廣東、江蘇、北京、浙江、上海、山東等六個地區(qū)無線充電專利申請數(shù)量占據(jù)中國本土申請總量的80%左右。從競爭機構看，國內前20強中，有國外企業(yè)9個、國內企業(yè)5個（國家電網、海爾、中興通訊、奇瑞汽車等）、大學6個（天津工業(yè)大學、東南大學、浙江大學、重慶大學、華南理工大學、清華大學）。相比較而言，國內企業(yè)的實力較弱。