適者生存——無線充電生態(tài)系統(tǒng)

― Leon C. Megginson

隨著物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、可穿戴和便攜式設(shè)備的發(fā)展，消費(fèi)者開始厭倦雜亂的電纜和需要頻繁充電的電池。無線充電的優(yōu)勢遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于擺脫線纜的束縛。當(dāng)前市場上各種各樣的近場、遠(yuǎn)場充電無線技術(shù)，其中包括感應(yīng)式、諧振式、RF、超聲及紅外線充電，這些技術(shù)都需要遵循不同的標(biāo)準(zhǔn)，也需要不同程度的折中。隨著人們對(duì)無線世界的向往，預(yù)計(jì)充電技術(shù)將出現(xiàn)急劇增長。

什么是無線充電?各項(xiàng)技術(shù)之間有何區(qū)別?我們首先從回答這些問題開始。

許多人將無線充電簡單理解為感應(yīng)式或短距離諧振充電。盡管兩者均為無線充電形式，但并不代表全部。“無線”意味著取消了電纜和適配器;而消費(fèi)者真正想要的不但是擺脫電纜的束縛，而且要避免繁瑣的操作，保持不間斷的能源供給。

采用感應(yīng)和諧振的近場方法不能滿足消費(fèi)者需求。無論是感應(yīng)式還是諧振式充電，僅僅是用“放好”代替了“插好”，值得慶幸的是新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，包括RF、超聲、WiFi及紅外等。

永不斷電聽起來很棒，前景一片光明，但道路曲折，需要多個(gè)實(shí)體通力協(xié)作，建立電源鏈的金字塔。

1. 設(shè)備制造商位于供應(yīng)鏈金字塔的頂端，因?yàn)槲覀內(nèi)粘Ｊ褂眠@些設(shè)備，而且處于面對(duì)用戶體驗(yàn)的最前沿。其中包括各種品牌的手機(jī)、運(yùn)動(dòng)手表/健康手環(huán)、智能家居和汽車等。據(jù)報(bào)道英國已經(jīng)發(fā)起了一項(xiàng)旨在建立“充電通道”的活動(dòng)，以減少電動(dòng)汽車電量耗盡的幾率。Intel也有望在2017年發(fā)布無線筆記本電腦。Google及其他公司正在努力打造各種電動(dòng)車無線充電系統(tǒng)。每家設(shè)備制造商都擁有自身的功率發(fā)送、接收器，例如充電墊和支架。設(shè)備制造商決定采用哪種充電方法，以優(yōu)化其用戶體驗(yàn)并保證回報(bào)最大化。

2. 金字塔的中段包括標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)、技術(shù)推動(dòng)者以及系統(tǒng)制造商。中間層對(duì)消費(fèi)者是不可見的，但對(duì)于最終的成功和技術(shù)普及至關(guān)重要。這一層面臨的首要風(fēng)險(xiǎn)是過時(shí)，因?yàn)樾录夹g(shù)和方法不斷推陳出新。

在過去十年間，已經(jīng)建立了各種不同的充電標(biāo)準(zhǔn)，試圖規(guī)范近場充電技術(shù)。Qi標(biāo)準(zhǔn)的推動(dòng)者是無線充電共同體(WPC)(感應(yīng)式：短距離單個(gè)設(shè)備);成立于2008年，目前自稱有超過200家會(huì)員公司。其傳輸功率大約5W，足以滿足智能手機(jī)要求。Rezence標(biāo)準(zhǔn)的推動(dòng)者是A4WP (諧振充電：較大范圍內(nèi)的多設(shè)備充電)。PMA與Qi非常類似，區(qū)別在于工作頻率。

充電標(biāo)準(zhǔn)定義設(shè)備之間的兼容性，按照Qi標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的充電墊無法為按照PMA規(guī)范設(shè)計(jì)的手機(jī)充電。每種標(biāo)準(zhǔn)都定義了線圈耦合類型、配置，以及無線設(shè)備的通信協(xié)議。為了適應(yīng)采用不同充電標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，基礎(chǔ)設(shè)施公司就必須同時(shí)支持兩者。

2015年6月，無線充電聯(lián)盟(Alliance for Wireless Power，A4WP)和電源事務(wù)聯(lián)盟(Power Matters Alliance，PMA)宣布戰(zhàn)略性合并，震動(dòng)了整個(gè)無線充電行業(yè)。2015年11月，合并后的新機(jī)構(gòu)重新命名為AirFuel Alliance。這次合并是實(shí)現(xiàn)長期目標(biāo)的重要一步：消費(fèi)者無論走到哪里，無論是在飯店、汽車還是家中，設(shè)備充電將能實(shí)現(xiàn)互操作，非常便利。

RF、超聲和紅外技術(shù)已經(jīng)涉足遠(yuǎn)場充電。無論基于何種技術(shù)，概念都類似，但具體的傳感器技術(shù)不同：RF使用天線到天線，傳輸?shù)阶兯推鞯墓鈱⒐饽苻D(zhuǎn)換為電能，而超聲將超聲波壓力轉(zhuǎn)換為電能。每種技術(shù)都有一定的局限性：超聲和光不能穿透墻壁，RF功率隨距離衰減嚴(yán)重。

所有這些技術(shù)的目的都集中地將功率透射到位于特定位置的耦合設(shè)備上，而不是在空間上均勻傳播。這種定向透射可規(guī)避健康問題并提高傳輸效率。也正像近場充電一樣，支持某種技術(shù)的接收器不能使用通過不同介質(zhì)發(fā)送射束的功率發(fā)送器進(jìn)行充電?；赗F的健康手表不能與超聲功率發(fā)送器通信。

這些標(biāo)準(zhǔn)定義每種設(shè)備溝通所用的語言。盡管標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)之間的競爭是好事，但需要將具體的應(yīng)用合并，以保證互操作性。

技術(shù)推動(dòng)者是設(shè)計(jì)和制造IC以及變送器，并將其提供給設(shè)備制造商的公司。Maxim Integrated等半導(dǎo)體公司提供專門用于近場無線充電的各種電源產(chǎn)品、方案。這些公司既具有創(chuàng)新性，同時(shí)也遵守充電標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的規(guī)范，并具有引領(lǐng)市場的能力。例如，Energous和Ossia正竭力通過RF電源IC來引領(lǐng)近場充電的趨勢。

系統(tǒng)制造商為已有消費(fèi)類產(chǎn)品設(shè)計(jì)配件，使其能夠進(jìn)入無線充電領(lǐng)域。Powermat是中間技術(shù)的很好范例，用于不支持無線充電的手機(jī)。他們制造與充電墊配合使用的充電環(huán)，用于手機(jī)充電。uBeam則致力于提供蜂窩手機(jī)外殼，通過超聲充電。這兩家公司不是將無線充電技術(shù)嵌入到消費(fèi)類設(shè)備，而是專注于制造配件，為現(xiàn)有產(chǎn)品提供完備的方案。

系統(tǒng)制造商的成功高度依賴于基礎(chǔ)設(shè)施。如果辦公室的辦公桌已經(jīng)嵌入了充電墊，或者會(huì)議室已經(jīng)安裝了超聲功率路由器，那么消費(fèi)者更可能采用兼容的配件。

3. 安全性和基礎(chǔ)設(shè)施位于金字塔的底部，是加速無線充電普及過程中談及最少的部分。根據(jù)IHS在2014年的調(diào)研數(shù)據(jù)，70%的消費(fèi)者每天至少為一個(gè)設(shè)備充電一次。家、辦公室和汽車是人們?yōu)槠湓O(shè)備充電的常見環(huán)境。無線充電部署是雙向的：設(shè)備不僅應(yīng)該支持無線充電技術(shù)，而且應(yīng)該有足夠的熱點(diǎn)供其充電。一旦基礎(chǔ)設(shè)施部署到位，其普及將會(huì)水到渠成。

安全性是無線充電的重要環(huán)節(jié)，特別是遠(yuǎn)場功率發(fā)射束。射頻(RF)安全性取決于在不損害人類健康的情況下可施加的輻射量。美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)負(fù)責(zé)規(guī)范人類暴露在RF場的安全水平。安全水平是根據(jù)信號(hào)頻率及其承載的能量組合規(guī)定的。各種RF技術(shù)都盡量采用弱能量包，然后在接收端累計(jì)，將這些能量包轉(zhuǎn)換到可用的能量水平。吸收率(SAR)用來定義這些限值。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在某種頻率和功率水平下，人類皮膚的溫升高于相當(dāng)功率水平下的其它頻率。SAR規(guī)定了可在人群附近使用的頻率范圍和功率水平，使溫升達(dá)到最小。ANSI在無線充電設(shè)計(jì)方面采用SAE J2954，在無線充電安全性方面采用UL 2750。J2954對(duì)保證不同供應(yīng)商的發(fā)送、接收器之間的互操作性至關(guān)重要。美國保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室協(xié)會(huì)(UL)也正在制定低能量近場能量傳輸方面的要求。UL 2738適用于感應(yīng)式近場能量傳輸系統(tǒng)。UL也正在制定電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)的安全要求。這些規(guī)范強(qiáng)制要求最終產(chǎn)品必須實(shí)現(xiàn)安全工作才能投入市場共消費(fèi)者使用。

IKEA是第一家宣布在家庭和辦公環(huán)境部署無線充電的公司，并且汽車也已經(jīng)開始包括無線充電控制臺(tái)。設(shè)備和系統(tǒng)制造商是否應(yīng)該與辦公設(shè)施公司協(xié)作，在每張桌子上安裝充電墊以及/或者在每個(gè)會(huì)議室安裝路由器?

“好也好，壞也好，美國是車輪上的國家。為了到達(dá)目的，90%的美國人自稱通常開車前往，據(jù)報(bào)告每天在汽車上的時(shí)間平均為87分鐘。”——美國廣播公司新聞?wù){(diào)查，美國的交通。

消費(fèi)者接受任何創(chuàng)新技術(shù)都需要時(shí)間。無線技術(shù)公司需要積極尋求與現(xiàn)有設(shè)施建造者合作，以加速這一過程。隨著家居變得越來越智能，也許值得在已安裝到天花板的智能消防報(bào)警器中嵌入無線能量傳輸技術(shù)。隨著移動(dòng)及IoT設(shè)備的爆發(fā)式增長，以及GM、Toyota和Fiat/Chrysler等公司均已開始提供用于智能電話的無線充電，預(yù)計(jì)車載、近場無線充電的普及將會(huì)進(jìn)一步加快。

結(jié)論

無線充電不僅僅是省去電源線，而是關(guān)乎到電源管理和便利性;也不僅限于感應(yīng)式或諧振式充電。遠(yuǎn)場充電是創(chuàng)新關(guān)鍵。我們的電子設(shè)備需要足夠智能，實(shí)現(xiàn)自身充電。然而，主要參與者擁有機(jī)會(huì)通過建立自身的充電技術(shù)來加快其普及。在無線充電商業(yè)化的早期階段，基礎(chǔ)設(shè)施公司面臨太早過時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)。無線充電OEM公司需要主動(dòng)與已有的基礎(chǔ)設(shè)施建造者建立合作，利用當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)消費(fèi)者的接受度。

無線充電技術(shù)的普及具有多層次的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。每種方法得到消費(fèi)者最終接受需要多種實(shí)體之間的緊密合作：半導(dǎo)體、消費(fèi)類設(shè)備、家具、零售、汽車以及公共設(shè)施。

在不斷變化的生態(tài)系統(tǒng)中獲得主導(dǎo)地位的無線充電技術(shù)才能夠生存并最終發(fā)展壯大。