深入分析：无线充电技术Qi Wireless Charging Qi

摘要：针对近两年蓬勃发展的无线充电技术，分析了消费者应用层面的需求，介绍了现在常见的充电技术，再深入分析了现行唯一已制定并公开标准的无线充电联盟之Qi技术，包括工作原理，标准的内容及认证流程等。

智能手机在日渐改变我们的生活，无论是在网络上还是网络下。可是在不断增加的新特性下，电池的寿命并没有赶上。手机每当发出“悲沧”的低电量警告声，这时最头疼的是就是四处跳脚地借充电器……不喜欢这样可以怎么样?设想一下，当你坐下喝杯咖啡时，将手机象平时一样随意地放在桌子上的情况。没有连接任何的线缆，而不同的是这时手机会亮起充电灯然后开始自动进入充电状态了。每天你可以一把抓起你的手机然后无论何时在任何你需要的地方进行充电，如在公司、在图书馆、在咖啡厅、或是在家里。尤其当这些时候都不需要使用任何有线的充电器，或者USB线。这样我们就不需要担心旧充电器的回收环保问题了，也不用操心去选择配对的充电器以配合自己的手机型号。2012年9月，当诺基亚新一代智能手机Lumia发布现场提到无线充电功能时，“Qi Wireless Charging”(Qi无线充电)这几个字浮现在会场的大屏幕上。这是Qi标准的无线充电技术首次被一款聚光灯下的消费电子产品带入大众视野，同时也进一步拉近了梦想与现实的距离。在今年即2013年7月26日，GOOGLE发布了升级版的NEXUS 7，是首款内置Qi无线充电技术的最新平板。这意味着无线充电技术已经是当下方向，并向着成为产品标准配置的方向前进。

一、 无线充电主流技术

听起来无线充电好像是很科幻的东西，但其实并不是未来世界才会发生的事情。科学家和工程师们在近两个世纪前就已经知道，传递电力并不需要电线始终保持物理接触，无线充电技术在智能手机上的应用也绝非是新鲜事。其背后的技术和理论是由科学家尼古拉特斯拉提出来的。另外其实有些电动牙刷和手术移植的设备已经在使用无线充电技术了，如人工心脏。

采用感应充电方式的无线充电，是基于一个基本的原理，需要两个线圈，一个作为发射机，一个作为接收机，交流电流流过发射机线圈会产生一个磁场，而该磁场又会在接收机线圈感应出一个电场，这个电场就可以用来驱动一个移动式设备或者对一个电池充电。

目前的无线充电技术还不算成熟，不仅技术发展缓慢，标准也尚未统一。世界上有三大主流联盟致力于无线充电技术的开发及商用，以及Qi标准的制定，这三大联盟是无线充电联盟(Wireless Power Consortium，简称WPC)、Power Matters Alliance(PMA)以及Alliance for Wireless Power(A4WP)。他们利用的电力无线传输技术有两种：电磁感应型(利用电流通过线圈产生磁力实现近程无线供电)和磁场共鸣型(利用磁场等共鸣效应近程无线供电)。

1. Qi标准

Qi是全球首个推动无线充电技术的标准化组织无线充电联盟推出的“无线充电”标准，具备便捷性和通用性两大特征。首先，不同品牌的产品，只要有一个Qi的标识，都可以用Qi无线充电器充电。其次，它攻克了无线充电“通用性”的技术瓶颈，在不久的将来，手机、相机、电脑等产品都可以用Qi无线充电器充电，为无线充电的大规模应用提供可能。

目前，市场比较主流的无线充电技术主要通过三种方式，即电磁感应、无线电波、以及共振作用，而Qi采用了目前最为主流的电磁感应技术。在技术应用方面，中国公司已经站在了无线充电行业的最前沿。目前Qi的应用产品主要是手机，这是第一个阶段，以后将发展运用到不同类别或更高功率的数码产品中。

2. Power Matters Alliance标准

Power Matters Alliance标准是由Duracell Powermat公司发起的，而该公司则是由宝洁与无线充电技术公司Powermat合资经营。除此以外，Powermat公司还是Alliance for Wireless Power(A4WP)标准的支持成员之一。

目前已经有AT&T、Google和星巴克三家公司加盟了PMA联盟(Power Matters Alliance缩写)。PMA联盟致力于为符合IEEE协会标准的手机和电子设备制定无线供电标准，其利用的也是电磁感应原理。

3. A4WP标准

A4WP是Alliance for Wireless Power标准的简称，由美国高通公司、韩国三星公司以及前面提到的Powermat公司共同创建的无线充电联盟创建。该联盟还包括Ever Win Industries、Gill Industries、Peiker Acustic和SK Telecom等成员，目标是为包括便携式电子产品和电动汽车等在内的电子产品无线充电设备设立技术标准和行业对话机制。

二、 WPC无线充电联盟

WPC是目前商用最广泛的联盟，并且已建立了清晰的全球标准、测试标准及Qi符合性测试体系。另两个联盟则还在起步阶段或者其影响范围仅限于某些地区。

WPC成立于2008年，由全球领先的数个消费电子公司创建，是全球首个推动无线技术标准化的组织。现在已有超过150个成员，包括美国最大的本地电话运营商Verizon、诺基亚、三星、HTC、德州仪器、华为等公司。WPC标准定义了电感耦合(线圈结构)的类型，以及低功耗无线设备所用的通信协议。同时现行的无线充电规格将从低功率充电逐步迈向高功率。届时，不仅是通信类产品，而且包括家用电器等在内的高功率产品都能实现无线充电。现在为止已经有超过200个Qi的设备得到认证，产品在全世界各大洲都可以购买到。

1. 会员类别

1) 普通会员(一万五千美金年费)

l 可以使用Qi商标

l 可以获取新规格的草稿

l 可以就规格的发展提供建议

l 可以参与到互操作性的测试中

2) 固定会员(两万美金年费)

l 要满足相关的会员背景要求

l 有限定的名额及需要投入相当资源到WPC Qi的发展中

3) 新增的成员类别

年收入在10,000,000美金以下的小型公司，可以以2000美金的会费加入无线充电联盟并维持12个月。在12个月后，小型公司成员会自动转为普通会员并且需要缴付一个正常会员的年费。

普通会员的认证产品注册是免费的。而小型公司会员则需要为每个产品支付2500美金的注册费用以在无线充电联盟的网站上的认证产品库中进行注册。

2. WPC Qi标准及其工作原理

WPC的标准命名为Qi，公布于2009年8月。“Qi”来自于中医原理中的“气”的发音，象征生命能量。

Qi原理是电磁波感应原理及相关的交流感应技术，在发送和接收端用相应的线圈来发送和接收产生感应的交流信号来进行充电。通过线圈内创造出一个强电磁场(线圈外的感应则很弱)，用户只需将装载接收器的终端设备放在这个“平板”上即可进行充电。

订立Qi标准背后的想法很简单，即希望所有带有Qi标记的设备可以互相间完美支持和工作。Qi解决了无线充电的通用性问题，使得无线充电的大规模应用成为可能。

Qi系统的工作原理如图1所示。

Qi接收机将控制信号通过感应电场传送给发射机，控制发射机输出的电力(即接收机将接收的电力)。需要留意的是Qi发射机并不通过感应电场传送任何带信息和数据的射频信号，只是纯粹接收Qi接收机发送的数据。所以从无线通讯的角度考虑，Qi发射机其实是无线接收机，而Qi接收机则是无线发射机。

图1 Qi系统工作及通讯框图

Qi发射机和接收机的配对及进入正常工作的通讯过程如图2所示，分四步进行：开始 (start)à脉冲探测(ping)à辨识及配置(identification and configuration)à功率传输(power transfer)。

首先发射机给出一个数字辨识脉冲信号;

接收机接收并辨识到是正确的辨识脉冲后将现在接收机的状态传给发射机——该数据包称为信号强度数据包(Signal Strength);

发射机接收并辨识到正确的信号强度数据包后开始进入无线充电准备状态;

接收机传送定位(Identification)数据包将需要的功率信息传送给发射机;

发射机对应定位数据包进行调节并传输相应要求的功率

接收机接收到功率后不断和本身需要的功率进行检测和比较，并将需要的改变量传递给发射机，发射机也就不断改变发送的功率，直到最后接收机充电完毕，就会给出结束充电(End of Power)信号给发射机而停止充电，以防充电过量而产生危险。

图2 Qi系统工作及通讯流程

3. Qi标准的要求

Qi的标准现阶段暂时只有低功率规范，包含三部分：界面定义、性能要求以及符合性测试。

1) 对产品设计界面的要求，发射机方面是有明确定义的。对于线圈的具体尺寸、屏蔽材料、磁环等都有清晰描述，并且要求必须遵守。而侦测电路则可以由制造商自行决定，这一部分只做了指引性介绍，并没有具体要求。接收机的细节要求并没有指定，只是参考性的指引而已。制造商可以自由设计产品的尺寸，而要满足的前提只有一个：须通过Qi符合性测试(Qi规格第三部分内容)。

2) Qi系统的效率要求

无线充电的效率由于工作原理的原因始终不可能超过有线充电，但是一直在提高中(约72~78%)。

在现阶段对于第二部分没有测试要求。

3) 符合性测试要求

所有适用的要求(测试项目)都需要进行测试。每个测试需要单独重复进行3~5次，而最终结果是取其平均值。需要留意的是符合性测试只是Qi认证的第一步而已。第二步是互操作性测试，会在WPC指定的互操作性实验室(现阶段是位于比利时的Testronik)进行，将样品与已经认证的产品进行互操作性的兼容测试。只有在互操作性测试也符合的结果下，产品才可以正式宣传满足Qi的要求，并打上Qi标识

测试的项目对于发射机和接收机各有不同的关键项目。

发射机的关键测试项目：

- 最小可承受调制负载

- 可持续提供有保证的功率

- 工作频率的正确性

接收机的关键测试项目：

- 足够的调制深度

- 对于发射机侦测脉冲的及时反应时间

- 数据包正确的时隙

- 数据包内容的正确性

4. Qi标准版本的变更

Qi标准第一个版本是V1.0，而V1.1标准在2012年三月实施。

V1.1版本和V1.0版本最大的不同点是增加了一个重要的异物侦测(FOD)的要求及对应的测试项目。

异物侦测技术改善了发射机侦测接收机附近寄生金属的敏感度，并且防止这些物质被无线充电“误伤”而“充电”发热。异物侦测功能的加入让发射机和接收机的功率传输更加可靠和高效。

所谓的“异物”比如说有手机后面无意不知道哪里粘附的硬币，香口胶的锡箔包装纸，实验室里面使用的焊锡，基本上就是所有不是接收机但是会出现在发射机和接收机中间的物件。

对于异物侦测的测试要求，发射机可以有三种方式达成，一是侦测到异物后就截断功率传输，二是当表面温度过高时截断功率传输，又或者第三种方式也可以，就是当发射机发现接收机在不断的要求增加功率时将功率传输截断。

而接收机则必须做到将正确的功率反馈回给发射机，包括准确接收到的功率值以及准确的需求功率。

V1.1.2版本的更新

V1.1.2的测试规范从2013年6月19号开始生效。旧1.1规范会在2013年12月19日过期，从第二个日期开始，只有按照1.1.2的规范才能进行测试和发证。

新产品已经不允许按照1.0.3规范来进行认证，使用1.0.3现在只允许在之前认证的产品的基础上进行同类列名，并且该方式也只到2014年6月24日止。

从2014年6月14日起，不允许任何产品按照1.0.3的规范来进行生产和销售。

唯一例外的情况是：汽车产业仍然允许在2013年9月30前进行1.0.3版本的产品测试和认证。并且仍然可能在得到特别许可后在2014年6月24日后销售1.0.3规范的发射机。而替换使用中的1.0.3的发射机则没有时限要求。

5. Qi认证流程

Qi资格认证包括两个步骤：

1. 在WPC授权指定的Qi符合性实验室完成Qi标准第三部分的符合性测试;

2. 在比利时的Testronik完成互操作性测试。

请留意Qi符合性测试是要求在最终成品上进行测试，而不可以是工程样品。制造商需要提供三个完整的成品作为样品，一个用于符合性测试，两个送到互操作性实验室测试。在测试完成后样品会封存在这两个实验室。所有的认证样品都会和之前的样品在互操作性实验室进行互操作性实验，以确保新的Qi的产品可以和所有的旧产品正常工作。

在互操作性实验通过后，测试该产品的符合性实验室会收到通知，这时就可以由该符合性实验室颁发最终的Qi符合性测试报告和证书了。

申请认证的制造商需要将已认证产品上载到WPC的官方网站进行列名。

请留意这一步是强制要求的。不过只有WPC的成员才可以看到。而列名该产品的会员可以自由决定是否将该产品的列名信息公开给非会员。

三、 现阶段Qi技术发展和更新

WPC将制定一个新的设备类别——接收机模块，该类别的接收机模块必须使用一个经Qi认证的接收机线圈和电子件。

该类模块不需要完成全套的接收机测试，只须进行部分测试(4~5个测试项目)。而互操作性测试依然是强制需要的。

Qi未来发展的第一步是升级现仅有的低功率标准，从5瓦增加到15瓦。增加功率可以提供更快的充电时间，同时可以满足中等功率产品的要求，如平板电脑、笔记本电脑等，让它们也可以享受到像现在的无线充电鼠标，无线充电手机相同的无线充电的“快感”。

而再下一步就是再将功率增加到30瓦、90瓦、120瓦，甚至乎是更高的2千瓦，如厨房电水壶、搅拌器等，以及电视机和其他电器设备。

功率增加带来的第一个挑战就是如何兼容之前的Qi设备。另外的困难是功率增大是否会让充电距离也可以增加;如果增加了，会对其他电器，尤其人体产生影响。

现在可充电的两线圈最大距离是约5毫米，而更有测试显示在特定条件下，比如说使用特制的线圈，其最大可充电距离增加到4~5厘米。这么大的距离的增加是否会降低充电效率，是否会增加安全隐患，比如说SAR(测试电磁辐射对人体的影响——特定吸收比)测试是否能够通过。

无线充电联盟WPC现正在这些问题上进行研究，暂时还没有可公布的时间表。其首要研究的课题是大功率设备和现有小功率设备的兼容性。

坊间对无线充电技术虽然还有颇多认知误区，例如电磁辐射是否泛滥、充电效率如何、充电成本是否高等，但难挡未来三年其将掀起手机、电脑、电视，甚至电动汽车等领域的新风潮。有专家乐观预计北美第一辆支持Qi标准的电动汽车最早将于2013年问世。无线充电未来将大有发展，根据市场研究机构的报告，全球无线充电市场将在未来五年内获得井喷式增长，到2017年将形成超过70亿美元的规模，而在2011年这一数字仅仅只有4.57亿美元，年复合增长率预计为57.6%，因此无线充电将不再是小众技术。

希望不久的未来，我们不再需要为每个设备购买单独的充电器。带着你的Qi标识的设备，当电量低时，只需找到最近的充电站——你会发现他们在办公室、酒店、机场、火车站和咖啡馆等，Qi充电站将无处不在，类似现在的Wi-Fi热点，希望无线充电很快成为消费者寻找购买新的设备的一个基本的考虑因素。

关于德国莱茵TUV：

德国莱茵TUV 集团作为国际知名的独立第三方检验、 检测和认证机构， 拥有140年的经验，在全球五大洲 65 个国家设有 500 家分支机构， 全球员工数超过 17200， 能提供全球客户所需的专业服务支持。 德国莱茵TUV大中华区员工约 3000 人，服务范围包含工业及能源服务、电子电气产品测试、通讯测试、消费品测试、人体工学评估、交通服务、轨道系统安全、食品安全、绿色产品认证、碳排放管理、培训与咨询及管理体系等检验认证服务。 德国莱茵TUV 向来以严谨高质量的测试认证服务著称，并以公正独立的角度提供各项专业评估，为当地企业提供符合安全、质量以及环保的优质服务和解决方案。