無(wú)線供電技術(shù)初探

廈門理工學(xué)院電子信息工程系 余長(zhǎng)青

無(wú)線供電技術(shù)初探

廈門理工學(xué)院電子信息工程系 余長(zhǎng)青

本文介紹了無(wú)線供電技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀，分析了電磁輻射式、電磁諧振式、電磁感應(yīng)式三種無(wú)線供電技術(shù)，指出了各自的特點(diǎn)和適用范圍，最后介紹了無(wú)線充電的標(biāo)準(zhǔn)及其發(fā)展變化。

無(wú)線供電；電磁輻射式；電磁諧振式；電磁感應(yīng)式；WPC；PMA；A4WP

0 引言

隨著越來(lái)越多的便攜式電子產(chǎn)品和可穿戴設(shè)備進(jìn)入生活，現(xiàn)代人也越來(lái)越離不開(kāi)它們，給這些設(shè)備充電成了生活中的常事，如何方便快捷地為這些電子設(shè)備提供充足的電能成為研究的熱點(diǎn)。當(dāng)Wi-Fi、藍(lán)牙取代了網(wǎng)線和數(shù)據(jù)線，人們也想把電源線扔掉，無(wú)線供電技術(shù)的興起讓我們夢(mèng)想成真。無(wú)線供電又稱為非接觸式供電，是通過(guò)電磁感應(yīng)耦合將電能以無(wú)線的方式傳輸給負(fù)載，它無(wú)需任何物理上的連接，避免了摩擦，消除了觸電的危險(xiǎn)，這種非接觸式供電技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景。

1 無(wú)線供電技術(shù)的發(fā)展歷程

Nicola Tesla是19世紀(jì)末偉大的科學(xué)家和電氣工程師，他在電氣技術(shù)上作出的非凡貢獻(xiàn)推動(dòng)了社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展。早在1890年他就做過(guò)無(wú)線供電的實(shí)驗(yàn)，是最早進(jìn)行無(wú)線供電實(shí)驗(yàn)的人。進(jìn)入21世紀(jì)，便攜式電子產(chǎn)品大量涌現(xiàn)，隨著微機(jī)電系統(tǒng)、電力電子技術(shù)和高頻電源技術(shù)的發(fā)展，有力的推動(dòng)了無(wú)線供電技術(shù)的發(fā)展，目前已有多家廠商和研究機(jī)構(gòu)相繼開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)出多個(gè)非接觸供電系統(tǒng)和產(chǎn)品。

2001年5月法國(guó)科學(xué)家使用微波無(wú)線供電技術(shù)，成功點(diǎn)亮了40m之外200W的燈泡。兩年后建造的另一個(gè)微波輸電裝置，以2.45GHz頻率傳輸10kW電能，可以對(duì)1km外的村莊進(jìn)行單一無(wú)線電能傳輸。

2005年，中國(guó)香港許樹(shù)源教授成功研制了一個(gè)平臺(tái)對(duì)電池進(jìn)行充電，但是它充電時(shí)需要將產(chǎn)品與充電器接觸。后來(lái)其它廠商開(kāi)發(fā)的手機(jī)無(wú)線充電產(chǎn)品大多也都是要把手機(jī)放在充電板上。

2007年6月，麻省理工大學(xué)的Marin Soljacic和他的研究團(tuán)隊(duì)做了一個(gè)演示，他們給一個(gè)半徑為30cm的線圈通電，利用磁耦合共振原理，成功點(diǎn)亮了1.9m之外連接在另一個(gè)線圈上的60瓦W燈泡。2010年1月在第四十三屆國(guó)際消費(fèi)類電子產(chǎn)品展覽會(huì)（CES）上，海爾展示了全球首臺(tái)“無(wú)尾”電視機(jī)，使用的正是Marin團(tuán)隊(duì)創(chuàng)辦的企業(yè)WiTricity研制的無(wú)線供電系統(tǒng)，它可以將100W的電力傳輸?shù)骄嚯x1m的電視機(jī)處。

2008年9月北美電力研討會(huì)在其發(fā)表的論文中表示在實(shí)驗(yàn)中已可以讓800W的電力以無(wú)線的形式傳輸?shù)?m遠(yuǎn)的地方。

2009年10月日本奈良市給混合動(dòng)力巴士進(jìn)行無(wú)線充電試驗(yàn)，他們先在作為充電平臺(tái)的混凝土中埋入發(fā)射線圈，然后把車開(kāi)到平臺(tái)上并使接收線圈和發(fā)射線圈對(duì)準(zhǔn)進(jìn)行充電。2009年11月，長(zhǎng)野日本無(wú)線展出面向電動(dòng)汽車及便攜終端等開(kāi)發(fā)出的無(wú)線供電系統(tǒng)，傳輸距離40cm時(shí)，傳輸效率高達(dá)95%。村田制作所也宣布開(kāi)發(fā)出了 “LXWS系列”無(wú)線供電系統(tǒng)，2010年秋季開(kāi)始量產(chǎn)模塊。索尼也試制了沒(méi)有電源線驅(qū)動(dòng)電視機(jī)等電子產(chǎn)品的“無(wú)線供電系統(tǒng)”，通過(guò)磁共振傳輸電能，可向距離50—80cm的電子產(chǎn)品傳輸60W的電力。

2 無(wú)線供電技術(shù)的最新發(fā)展

無(wú)線供電的產(chǎn)品在幾年前就開(kāi)始進(jìn)入了市場(chǎng)，人們比較了解的可能就要數(shù)Android和iPhone的無(wú)線充電器了。2012年9月諾基亞在紐約發(fā)布會(huì)上就展示了把手機(jī)隨意放上充電墊一邊聽(tīng)歌一邊充電的場(chǎng)景。

2013年11月美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)宣布就電動(dòng)汽車無(wú)線供電使用85kHz頻帶達(dá)成協(xié)議。此前，無(wú)線供電頻帶的爭(zhēng)論一直是其實(shí)用化進(jìn)程的障礙。

2014年第三屆世界無(wú)線電力傳輸行業(yè)峰會(huì)上，業(yè)內(nèi)人士對(duì)無(wú)線供電標(biāo)準(zhǔn)，以及如何擴(kuò)大傳輸距離、增大傳輸功率、提高傳輸效率等問(wèn)題進(jìn)行討論，取得了圓滿的成功。

2014年Energous發(fā)布突破性無(wú)線充電裝置WattUp，該技術(shù)基于Rezence標(biāo)準(zhǔn)，支持約4.6米的無(wú)線充電。在2015年國(guó)際消費(fèi)類電子產(chǎn)品展覽會(huì)上Energous展示的WattUp無(wú)線供電技術(shù)獲得了CES2015最佳智能家居產(chǎn)品、最佳創(chuàng)新產(chǎn)品獎(jiǎng)。WattUp是一種具有藍(lán)牙和射頻（RF）功能的發(fā)射器，使用Wi-Fi頻段向電子設(shè)備提供電力，且只需要10W或更少的功率。信號(hào)轉(zhuǎn)換模式就像Wi-Fi：通過(guò)射頻電磁波（RF）信號(hào)向支持WattUp的電子設(shè)備發(fā)送能量，每臺(tái)WattUp發(fā)射器理論上可支持最高12臺(tái)接收設(shè)備。

Energous公司稱，WattUp技術(shù)可以被大量應(yīng)用到日常生活中，能夠給任何使用電池供電的10W以下的設(shè)備充電。目前兼容的設(shè)備多種多樣，包括手機(jī)、平板電腦、藍(lán)牙耳機(jī)、智能手表、電子閱讀器、遙控器、時(shí)鐘、電子玩具、照相機(jī)、攝像機(jī)、監(jiān)控?cái)z像頭、電腦鼠標(biāo)和鍵盤、電動(dòng)剃須刀等，只要設(shè)置一定數(shù)量的充電站即可，每一設(shè)備都可以通過(guò)管理軟件進(jìn)行控制，可以檢測(cè)在充電站發(fā)射裝置3m范圍內(nèi)是否存在無(wú)線充電設(shè)備，只要啟動(dòng)程序即可進(jìn)行充電。在家、辦公室以及機(jī)場(chǎng)等公共場(chǎng)所都十分適用，是無(wú)線充電技術(shù)的一大進(jìn)步。

目前，Energous已與包括知名廠商Dialog在內(nèi)的多個(gè)合作伙伴共拓WattUp無(wú)線充電技術(shù)市場(chǎng)。事實(shí)上，在2014年該公司就與海爾簽訂合作協(xié)議，將在電視、冰箱、洗衣機(jī)等設(shè)備中集成WattUp無(wú)線發(fā)射器技術(shù)，使得這些大家電將可以為手機(jī)、平板等小型電子設(shè)備無(wú)線充電。

在2015年CES展上，英特爾推出的無(wú)線充電碗可以同時(shí)對(duì)放置于碗內(nèi)的多個(gè)耳機(jī)進(jìn)行無(wú)線充電，同樣吸引了很多眼球。

2015年半導(dǎo)體制造商ROHM面向智能手機(jī)和平板電腦等移動(dòng)設(shè)備，開(kāi)發(fā)出無(wú)線供電控制IC“BD57015GWL”（接收端/終端）和“BD57020MWV”（發(fā)射端/充電端）。這兩種產(chǎn)品均為業(yè)界首發(fā)，是符合WPC最新Qi標(biāo)準(zhǔn)中等功率規(guī)格的芯片組，可在平板電腦等10W級(jí)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)無(wú)線供電。另外，BD57015GWL還支持PMA標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了可自動(dòng)切換WPC（10W）和PMA（5W）的雙模充電。

概念變成商品，無(wú)線供電從夢(mèng)想步入現(xiàn)實(shí)，未來(lái)幾年在電動(dòng)汽車、移動(dòng)電話、電視、電腦等領(lǐng)域?qū)?huì)有一場(chǎng)新的變革。無(wú)線供電技術(shù)具有十分廣闊的市場(chǎng)，市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Marketsand Markets的報(bào)告指出，2011年無(wú)線供電產(chǎn)品的市場(chǎng)份額只有4.57億美元，預(yù)計(jì)到2017年就可能會(huì)形成70億美元的巨大市場(chǎng)。

3 三種無(wú)線供電技術(shù)

無(wú)線供電技術(shù)分為電磁輻射式無(wú)線供電技術(shù)（electromagnetic radiation wireless power supply）、電磁諧振式無(wú)線供電技術(shù)（electromagnetic resonance wireless power supply）和電磁感應(yīng)式無(wú)線供電技術(shù)（electromagnetic induction wireless power supply）。電磁輻射式可用于遠(yuǎn)距離電能輸送；電磁諧振式適用于中等距離電能傳輸；電磁感應(yīng)式可用于近距離電能傳輸。

電磁輻射式無(wú)線供電技術(shù)由美國(guó)Power Cast公司開(kāi)發(fā)，它以微波束代替輸電線用微波傳輸電能，整個(gè)系統(tǒng)包括發(fā)射模塊Power Caster和接收模塊Power Harvester兩部分組成，但是發(fā)射器和接收器必須對(duì)準(zhǔn)，且不能繞過(guò)障礙物，是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸方式。因?yàn)槲⒉ㄝ椛鋵?duì)生物體有害，所以一般應(yīng)用于衛(wèi)星等高空科技領(lǐng)域。

電磁感應(yīng)式無(wú)線供電技術(shù)利用電磁感應(yīng)原理，類似于變壓器，它把傳統(tǒng)變壓器的初、次級(jí)分開(kāi)，利用感應(yīng)耦合傳輸電能。這種技術(shù)可靠性高、柔性好、多功能性好，無(wú)接觸、無(wú)磨損，還能兼顧信息傳輸，是目前較為成熟和普遍的方式。

電磁諧振式（也稱為磁共振式）無(wú)線供電技術(shù)為麻省理工學(xué)院的Marin團(tuán)隊(duì)發(fā)明，它采用非輻射式磁耦合技術(shù)，利用的是非輻射的磁近場(chǎng)，基于電磁感應(yīng)原理，又融合了諧振技術(shù)。當(dāng)接收天線的固有頻率和發(fā)射端的電磁場(chǎng)頻率一致時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振，無(wú)線傳輸效率較高，并且這種方式對(duì)人體沒(méi)有危害。

電磁感應(yīng)式和電磁諧振式都是非輻射式電能傳輸，但是兩者又有區(qū)別，以智能手機(jī)應(yīng)用為例，磁感應(yīng)技術(shù)是將兩個(gè)充電線圈分別放在充電板和手機(jī)后蓋上，通過(guò)電磁耦合的形式實(shí)現(xiàn)能量的傳遞；磁共振技術(shù)則是通過(guò)電磁諧振的方式，在充電器與設(shè)備之間的空氣中傳輸電能。

電磁感應(yīng)式傳輸效率能達(dá)到80%，但是其傳輸距離僅幾毫米；電磁輻射式最大傳輸距離可達(dá)10米，但其傳輸功率只有毫瓦級(jí)，且效率低；以上兩種無(wú)法兼顧傳輸效率、傳輸功率和傳輸距離，與之相比，電磁諧振式理論上傳輸距離能達(dá)到5米，效率能達(dá)到40%以上，傳輸功率能達(dá)到幾十瓦，因此應(yīng)用范圍更廣泛，在手機(jī)、筆記本、平板和電動(dòng)汽車等方面有很好的應(yīng)用前景。

4 無(wú)線充電的標(biāo)準(zhǔn)及其發(fā)展

隨著便攜式電子產(chǎn)品和可穿戴設(shè)備的大量使用，實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電已經(jīng)是一個(gè)現(xiàn)實(shí)的目標(biāo)。3年前，諾基亞就已推出搭載無(wú)線充電功能的手機(jī)。隨著WPC、PMA和A4WP為首的旨在普及無(wú)線供電的標(biāo)準(zhǔn)團(tuán)體成立并制定成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)線供電技術(shù)以歐美為中心開(kāi)始逐漸在智能手機(jī)和一些基礎(chǔ)設(shè)施中得以應(yīng)用。然而，本該一炮打紅的無(wú)線充電至今并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模普及應(yīng)用，工信部泰爾實(shí)驗(yàn)室主任何桂立認(rèn)為：“這跟多個(gè)無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)的存在有一定關(guān)系。標(biāo)準(zhǔn)不同，設(shè)備之間無(wú)法通用，市場(chǎng)自然也會(huì)混亂?！睆囊婚_(kāi)始，無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)格局就呈現(xiàn)三足鼎立的局面，技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要硬件支持，廠商不可能為每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)一套相應(yīng)的設(shè)備，結(jié)果就是無(wú)線充電技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)商業(yè)化普及。市場(chǎng)調(diào)研公司IHS預(yù)計(jì)，2018年全球無(wú)線充電市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到85億美元，2019年將沖破100億美元大關(guān)。但是，由于三大行業(yè)組織相互競(jìng)爭(zhēng)，已嚴(yán)重影響了無(wú)線充電的普及。

當(dāng)前無(wú)線充電市場(chǎng)共有三大行業(yè)組織，他們是WPC、PMA和A4WP。2008年成立的無(wú)線充電聯(lián)盟Wireless Power Consortium（WPC）是三個(gè)聯(lián)盟中成立最早的，所推行的無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)為“Qi”。Qi有超過(guò)5000萬(wàn)個(gè)安裝基地，認(rèn)證過(guò)684個(gè)產(chǎn)品，其陣營(yíng)支持者最多，包括諾基亞、飛利浦等國(guó)際知名廠商，處于商用的領(lǐng)跑地位。Qi的無(wú)線充電方案已經(jīng)安裝在包括三星、諾基亞、谷歌、中興品牌在內(nèi)的超過(guò)72款移動(dòng)設(shè)備里,還支持了15款已上市車型。Qi的身影也開(kāi)始在一些公共場(chǎng)所出現(xiàn)，阿姆斯特丹的德勤辦公大樓里，每個(gè)工作區(qū)的桌子上都安裝了Qi。2015年1月，麥當(dāng)勞宣布要在英國(guó)50個(gè)門店中，增加采用Qi標(biāo)準(zhǔn)的600個(gè)無(wú)線充電熱點(diǎn)。

電力事業(yè)聯(lián)盟PMA（Power Matters Alliance）是在北美市場(chǎng)發(fā)展的無(wú)線供電標(biāo)準(zhǔn)團(tuán)體，由于主要成員是杜邦、星巴克、AT&T、寶潔等，PMA過(guò)去更偏向咖啡桌、家具等設(shè)備。星巴克正在美國(guó)舊金山附近的200家店面、1500個(gè)點(diǎn)，嘗試提供無(wú)線充電服務(wù)。

無(wú)線電力聯(lián)盟A4WP（Alliance for Wireless Power) 主要支持者包括英特爾、高通和三星，技術(shù)路線與前兩者不同。為區(qū)別于WPC和PMA，高通推動(dòng)A4WP推出了電力傳輸功率達(dá)50W、支持多個(gè)設(shè)備同時(shí)充電、可穿透衣物和其他材料的Rezence標(biāo)準(zhǔn)，號(hào)稱實(shí)現(xiàn)“空間自由”和“隨放隨走”。在2015年CES展上，Energous公司展出的WattUp無(wú)線電源發(fā)射器和英特爾推出的無(wú)線充電碗，都是基于Rezence標(biāo)準(zhǔn)之上。隨著A4WP和PMA的合并成為現(xiàn)實(shí)，隨著高通和英特爾的強(qiáng)勢(shì)推動(dòng)，也許Rezence標(biāo)準(zhǔn)會(huì)后來(lái)居上。

三足鼎立的原因是無(wú)線充電技術(shù)的不同，A4WP采用的是磁共振技術(shù)，WPC和PMA采用的是磁感應(yīng)技術(shù)。磁感應(yīng)技術(shù)相對(duì)比較成熟，但應(yīng)用場(chǎng)景受限，WPC的Qi標(biāo)準(zhǔn)過(guò)去只能實(shí)現(xiàn)一對(duì)一的充電，并且和PMA的標(biāo)準(zhǔn)一樣，都必須將充電設(shè)備以精準(zhǔn)的方式放置在充電板上。磁共振技術(shù)比較新，還未成熟，但是它未來(lái)應(yīng)用的場(chǎng)景更廣泛，未來(lái)主流的技術(shù)應(yīng)該是磁共振技術(shù)。IHS的調(diào)查報(bào)告指出，磁感應(yīng)與磁共振無(wú)線充電的市場(chǎng)成長(zhǎng)曲線將在2016年迎來(lái)交叉點(diǎn)，即磁共振方案會(huì)取代磁感應(yīng)成為主流。相信磁共振技術(shù)演進(jìn)到一定程度，幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)必然會(huì)最終統(tǒng)一。

2014年P(guān)MA和A4WP達(dá)成協(xié)議，雙方合二為一，合并后的聯(lián)盟名為AirFuel Alliance。旨在通過(guò)雙方的合并，統(tǒng)一無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)，并合力建構(gòu)完善的生態(tài)系統(tǒng)，推動(dòng)無(wú)線充電在消費(fèi)電子設(shè)備市場(chǎng)的快速普及。WPC也意識(shí)到磁共振的重要性，2014年7月31日，WPC宣布在Qi 1.2版本中加入磁共振技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一對(duì)多的充電，充電距離增加到45mm，充電功率增加到2000W，同時(shí)也兼容了原本只搭載磁感應(yīng)Qi標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。面對(duì)PMA和A4WP合并，WPC準(zhǔn)備向中功率和磁共振發(fā)展，并發(fā)布Qi磁共振無(wú)線充電技術(shù)規(guī)范。

事實(shí)上，在過(guò)去的幾年中，許多廠商都出現(xiàn)了同時(shí)加入多個(gè)陣營(yíng)的情況。Qi標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)始成員之一的三星，與高通攜手成立A4WP聯(lián)盟；而高通既是A4WP創(chuàng)始會(huì)員，又是WPC董事會(huì)成員及PMA的資深領(lǐng)導(dǎo)會(huì)員，腳踏三只船，在三大聯(lián)盟中均處于核心地位。在市場(chǎng)這只巨大推手的作用下無(wú)線供電技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)在不斷演變和融合，兩種技術(shù)、不同聯(lián)盟的成員正在變得越來(lái)越相同,標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一也許就要到來(lái)。

5 小結(jié)

無(wú)線供電技術(shù)正成為國(guó)內(nèi)外廠商和科研機(jī)構(gòu)研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，隨著標(biāo)準(zhǔn)的逐漸統(tǒng)一，隨著新器件的不斷推出。在巨大的市場(chǎng)需求推動(dòng)下，無(wú)線供電技術(shù)必將迅速發(fā)展，應(yīng)用前景非常廣闊。也許在不久的將來(lái)，無(wú)線供電將不再是只能供電或充電的裝置，同時(shí)又可以做到資料傳送和數(shù)據(jù)同步。

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余長(zhǎng)青（1972—），男，貴州三都人，大學(xué)本科，廈門理工學(xué)院電子信息工程系副教授。

項(xiàng)目名稱：無(wú)線供電技術(shù)應(yīng)用及其電磁兼容性研究。