圖片來源@視覺中國(guó)

文｜根新未來，作者｜陳根

信息技術(shù)的不斷躍升，讓人們的生活中出現(xiàn)了越來越多的電子設(shè)備，隨處可見的電子設(shè)備也帶來了隨時(shí)需要充電的難題。在需求的推動(dòng)下，能夠滿足隨時(shí)充電的無線充電順勢(shì)而生。

實(shí)際上，早在100多年前，人們就設(shè)想能夠像現(xiàn)在我們連接Wi-Fi信號(hào)一樣來搜索電源信號(hào)，然后實(shí)現(xiàn)隔空取電。一直以來，人類在這方面的努力都停止過，現(xiàn)在，這種隔空取電的設(shè)想已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，并越來越多地在生活中為人們所用。如今，世界逐漸成為了無線的世界，無線充電技術(shù)更大程度地賦予了人們想要的靈活，并且越來越成為一種便宜和可靠的技術(shù)。

特斯拉和無線充電

其實(shí)，無線充電并不是最近才有的技術(shù)。早在1890年，塞爾維亞裔美籍物理學(xué)家兼電氣工程師尼古拉·特斯拉就提出了無線輸電的構(gòu)想，發(fā)明了“特斯拉線圈”，開啟了無線式電力傳播時(shí)代的大門。

無線充電的過程其實(shí)并不復(fù)雜，簡(jiǎn)單地說，就是電流在流過線圈的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)；而靠近磁場(chǎng)的線圈，就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而實(shí)現(xiàn)了電流的無線傳遞?？梢哉f，任何使用電力的地方都有采用無線傳輸?shù)臐撛诳赡?，只是受制于轉(zhuǎn)化效率低和成本高而在過去難以實(shí)現(xiàn)。

基于無線輸電的構(gòu)想，1891年，在J.P.摩根的資助下，特斯拉開始了試驗(yàn)無線輸電技術(shù)，通過磁感應(yīng)耦合原理成功用無線傳輸方式點(diǎn)亮了一只燈泡，并在紐約長(zhǎng)島建造了大型高壓線圈——沃登克里弗塔，又稱特斯拉塔。特斯拉塔的目標(biāo)就是構(gòu)建全球輸電系統(tǒng)原型，不過后來，特斯拉塔也因資金問題項(xiàng)目被迫停止。

無線輸電技術(shù)真正取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展是在21世紀(jì)以后，由于無線通信應(yīng)用領(lǐng)域取得的跨越式進(jìn)展，對(duì)輸電充電技術(shù)提出了實(shí)際應(yīng)用的迫切需求，從而也推動(dòng)了無線輸電技術(shù)和應(yīng)用方面的重大突破。

2007年6月，美國(guó)麻省理工學(xué)院馬林·索爾賈?？藶槭椎难芯繄F(tuán)隊(duì)試制出的無線充電裝置，則可以點(diǎn)亮相隔7英尺（約2.1米）遠(yuǎn)的60瓦電燈泡。當(dāng)時(shí)，這一研究成果在無線輸電領(lǐng)域引發(fā)了極大關(guān)注。

2010年以后，無線輸電技術(shù)進(jìn)入實(shí)質(zhì)性應(yīng)用階段，在消費(fèi)電子、電動(dòng)汽車、智能家居、智能穿戴等應(yīng)用領(lǐng)域取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

比如，2014年4月，美國(guó)Ossia公司的Cota技術(shù)取得了新突破，可在12米外給智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)全方向充電。2014年11月，美國(guó)WiTricity公司的磁共振技術(shù)的充電距離達(dá)到2.4米，可同時(shí)為多個(gè)設(shè)備遠(yuǎn)距離充電。2015年11月，美國(guó)Energous公司發(fā)表RF to DC整流器IC概念樣本，供應(yīng)小型穿戴式裝置和物聯(lián)網(wǎng)裝置的電力，可支持10瓦、4.57米距離的無線充電。2016年3月，美國(guó)華盛頓大學(xué)研發(fā)出“Passive Wi-Fi”技術(shù)，可連接到30米外的Wi-Fi設(shè)備上，這一技術(shù)也被《麻省理工科技評(píng)論》評(píng)為“2016十大科技突破”。

2016年4月，特斯拉無線充電裝置“免插充電系統(tǒng)”開始發(fā)售。該裝置可用于所有特斯拉品牌車型。充電效率相當(dāng)于7.2千瓦二級(jí)線圈式充電樁，每充電一小時(shí)可支持電動(dòng)車?yán)m(xù)航20英里（32千米左右）。

2017年，蘋果公司實(shí)現(xiàn)了手機(jī)無線充電。值得一提的是，推動(dòng)無線輸電技術(shù)發(fā)展最強(qiáng)勁的動(dòng)力正是來自智能手機(jī)、iPad、MP3、數(shù)字照相機(jī)以及筆記本電腦等便攜通信產(chǎn)品領(lǐng)域。盡管蘋果公司的無線充電并非隔空輸電，但在無線充電的商業(yè)化之下，卻也讓手機(jī)充電進(jìn)入了新篇章。如今，手機(jī)的無線充電已經(jīng)常見于我們的生活，手機(jī)的有線充電正在被無線充電代替。

另外，2019年，特斯拉推出了一款專門為手機(jī)充電的車載配件產(chǎn)品。該設(shè)備可嵌入Model 3中控屏幕正下方，通過USB接口接通電源后可同時(shí)為兩部手機(jī)進(jìn)行無線充電。2021年1月，小米發(fā)布隔空充電技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)米半徑內(nèi)的5瓦遠(yuǎn)距離內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行充電，而且可以支持多部手機(jī)同時(shí)使用。除手機(jī)外，無線充電樁還支持智能手表、手環(huán)等設(shè)備的充電需求。

汽車無線充電還會(huì)遠(yuǎn)嗎？

如果說無線充電對(duì)手機(jī)、電腦、相機(jī)等電子產(chǎn)品的影響，是改變了電子產(chǎn)品充電的靈活性，給人們帶來了更多便捷，那么，無線充電對(duì)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)，就是一場(chǎng)新的震動(dòng)，甚至是啟動(dòng)電動(dòng)汽車整個(gè)市場(chǎng)的關(guān)鍵——電動(dòng)汽車無線充電沒有外露的連接器，不僅徹底避免了漏電、跑電等安全隱患，采用無線充電，更是可以將電源和變壓器隱蔽在地下，讓汽車在停車處或街邊特殊的充電點(diǎn)充電。

當(dāng)前，“里程焦慮”依然是電動(dòng)汽車未能解決的痛點(diǎn)。尤其是在冬季續(xù)航里程縮水，或是在需要出遠(yuǎn)門的情況下，電動(dòng)汽車車主們的“里程焦慮”則會(huì)更加嚴(yán)重。節(jié)假日高速服務(wù)區(qū)充電排隊(duì)、凌晨四點(diǎn)起床搶充電樁等討論也在互聯(lián)網(wǎng)備受爭(zhēng)議。這種焦慮就像我們總怕手機(jī)沒電一樣，但和手機(jī)的電量焦慮不同，如果家里、單位都有充電器，包里有充電寶，附近商場(chǎng)餐廳還有共享充電寶，我們對(duì)手機(jī)的這種電量焦慮就會(huì)減弱甚至消失。而對(duì)于電動(dòng)汽車來說，車主的焦慮如此普遍，正是因?yàn)槠囇a(bǔ)能并沒有手機(jī)充電這么方便。

然而，如果能在道路上實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的無線充電，一直困擾電動(dòng)汽車發(fā)展的里程焦慮或許就將迎刃而解。其中，最典型的解決方案是在路面上安裝電能發(fā)射裝置，車輛底盤配備接收器，這樣一來，當(dāng)車輛開到相應(yīng)路面的時(shí)候，就可以接收發(fā)射裝置發(fā)射的電磁波，完成充電。根據(jù)這一原理，如果將高速公路或城市主干道全部鋪設(shè)這種電能發(fā)射裝置，那么車輛在行進(jìn)中就可以完成充電。

眾多電動(dòng)車廠商也都在積極探索這項(xiàng)技術(shù)商用的可能。比亞迪早在2005年12月就申請(qǐng)了非接觸感應(yīng)式充電器專利。2012年7月，比亞迪成功賣給猶他大學(xué)一輛純電動(dòng)巴士，這款巴士裝配著最新的無線充電墊。這是一位猶他州州立大學(xué)能源動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的領(lǐng)導(dǎo)者研究出來的。司機(jī)將巴士停在充電墊上，經(jīng)歷數(shù)分鐘的等待就能充滿電。

研究下一代無線充電技術(shù)的兩家公司W(wǎng)iTricity和富爾頓科技也都贏得了不少主流電動(dòng)廠商合作伙伴。其中，WiTricity公司成立于2007年，致力于將無線充電技術(shù)商業(yè)化，WiTricity公司研發(fā)了能夠隔空充電的電動(dòng)汽車充電器，那是個(gè)放置在車庫(kù)地上的半米寬的板子，汽車開上去，就可以實(shí)現(xiàn)充電。

目前，WiTricity已經(jīng)與豐田簽訂了價(jià)值數(shù)百萬的合同來開發(fā)靠電池供電的汽車充電器，并宣布與中國(guó)臺(tái)灣的電子產(chǎn)品制造商聯(lián)發(fā)科技（Mediatek）合作來開發(fā)為可移動(dòng)設(shè)備充電的產(chǎn)品。

另一家新創(chuàng)公司富爾頓科技公司的技術(shù)則表示可以穿透幾厘米厚的大理石或車庫(kù)地板給電動(dòng)車無線充電。這些技術(shù)都比現(xiàn)在已有的感應(yīng)充電更實(shí)用——現(xiàn)在已有的技術(shù)能夠讓你在自家車庫(kù)為汽車無線充電，但你必須剛好停在特定的位置上，與充電線圈校準(zhǔn)。

富爾頓已經(jīng)被美國(guó)芯片設(shè)計(jì)公司高通收購(gòu)。從2012年年初開始，高通聯(lián)合法國(guó)雷諾及英國(guó)德爾塔汽車公司在倫敦東區(qū)科技城進(jìn)行了街頭無線充電的商用測(cè)試。高通設(shè)想在購(gòu)物中心的停車場(chǎng)和公共道路停車點(diǎn)建設(shè)無線充電設(shè)施，采用半動(dòng)態(tài)充電，比如在交通警示燈處、十字路口、出租車?？奎c(diǎn)和公交車站都可以設(shè)立充電點(diǎn)。每次充電沒必要充滿，保持40%~80%的電量即可。

德國(guó)、日本等國(guó)也十分積極。在德國(guó)慕尼黑，很早就開始進(jìn)行家用無線充電的測(cè)試。日本豐橋技術(shù)科學(xué)大學(xué)則在研究能夠透過20厘米厚的混凝土磚塊將電力傳輸給汽車的道路充電裝置。在橫濱舉辦的貿(mào)易展上，日本豐橋技術(shù)科學(xué)大學(xué)展示了它們的道路無線充電技術(shù)，通過這種技術(shù)，車輛可以邊行走邊充電。研究人員給這種道路充電裝置取名“永遠(yuǎn)”（EVER），是“電動(dòng)汽車在帶電道路上”的英文首字母縮寫。他們認(rèn)為，“道路充電”的成本低于建設(shè)專門的電動(dòng)汽車充電站。

一個(gè)無線的世界

當(dāng)前，無線充電正在快速發(fā)展，并展現(xiàn)出兩方面的趨勢(shì)。

一方面，是無線充電成本的降低。如今，無線充電模組約占智能手機(jī)整機(jī)價(jià)格的比例接近15%，各環(huán)節(jié)成本有望快速下降：5瓦的無線充電Qi標(biāo)準(zhǔn)的單模裝置整體成本在2.2美元左右，單個(gè)線圈的成本價(jià)格已經(jīng)低于0.8美元。

雖然電動(dòng)汽車無線充電模塊成本依然高昂——無線充電停車點(diǎn)前期建設(shè)成本是有線電樁的4～5倍；電動(dòng)汽車加裝無線充電模塊的費(fèi)用在1.5萬元以上，而商用車的費(fèi)用高達(dá)10萬元，但相比于有線充電樁，無線充電停車點(diǎn)具有后期維護(hù)成本低、安全、空間利用率高的優(yōu)點(diǎn)。

另一方面，無線充電的轉(zhuǎn)化效率正在快速提升?，F(xiàn)階段，有線充電的效率約為93%，而無線充電設(shè)備的效率則在75%～90%；充電距離、角度、環(huán)境溫度都會(huì)影響轉(zhuǎn)換效率。2014年，高通推出了基礎(chǔ)電磁共振的無線充電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了90%的充電效率；以色列Powermat公司稱其非接觸式充電系統(tǒng)的電力傳輸效率可達(dá)93%。日本伊東健治教授通過集成的方式，把微波轉(zhuǎn)換為直流電流的天線與整流電路，將微波無線供電技術(shù)的轉(zhuǎn)換效率提升到了93%。

在無線充電成本降低和轉(zhuǎn)化效率提升之下，無線充電也展現(xiàn)了其巨大的市場(chǎng)潛力。根據(jù)調(diào)研機(jī)構(gòu)Knowledge Sourcing Intelligence的一份報(bào)告顯示，全球無線輸電市場(chǎng)預(yù)計(jì)將以年均15.56%的速度增長(zhǎng)，從2019年的92.46億美元增長(zhǎng)到2025年的220.17億美元。

可以預(yù)見，從電子產(chǎn)品的無線充電到電動(dòng)汽車的無線充電，數(shù)字社會(huì)下，無線充電還將在更多方面影響我們的生活。

比如，在智能家居方面，試想一下，如果家中遍布著蜘蛛網(wǎng)一樣的電線，不僅影響美觀，而且暗藏安全隱患。在這樣的背景下，無線充電將是解決智能家居的一個(gè)關(guān)鍵要素，“無尾”設(shè)備將成為家用智能設(shè)備的主流。目前，美國(guó)Powercast公司已經(jīng)開發(fā)出能夠把無線電波轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姷慕邮赵O(shè)備，能夠在近1米距離內(nèi)給多個(gè)電子設(shè)備供電。

另外，醫(yī)療器械供電是無線輸電的又一重要領(lǐng)域，比如，對(duì)植入人體的醫(yī)療器械如心臟起搏器充電，對(duì)下肢麻痹的人進(jìn)行肌肉刺激，以及神經(jīng)系統(tǒng)的醫(yī)療刺激、鎮(zhèn)痛，等等。醫(yī)療器械無線充電主要通過ICPT（Inductively coupled Power Transfer，感應(yīng)電能傳輸技術(shù)）和RFPT（Radio Frequency Power Transmission，射頻功率傳輸技術(shù)）方式。首先在人體外設(shè)置一個(gè)線圈，其次在人體內(nèi)再植入一個(gè)對(duì)應(yīng)的小微線圈，兩者之間形成感應(yīng)耦合效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)電力傳輸。

總的來看，現(xiàn)在，無線輸電技術(shù)已經(jīng)在某些領(lǐng)域投入了實(shí)際應(yīng)用，并且，在未來，在無線充電技術(shù)的發(fā)展下，人們終將迎來一個(gè)無線的世界：小到電動(dòng)牙刷、剃須刀、心臟起搏器和智能卡，大到公共汽車和火車之類的電動(dòng)交通工具，甚至包括磁懸浮列車都將通過無線充電實(shí)現(xiàn)供電。無線充電世界的到來，賦予了人們想要的靈活，也為數(shù)字世界的發(fā)展開辟了新的篇章。

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