車載無線充電技術與標準化研究

王智瑋　中國信息通信研究院泰爾終端實驗室工程師沈雅琴　中國信息通信研究院泰爾終端實驗室助理工程師戴昌金　中國信息通信研究院泰爾終端實驗室助理工程師盧知白　中國信息通信研究院泰爾終端實驗室助理工程師龐　帥　中國信息通信研究院泰爾終端實驗室助理工程師

車載無線充電技術與標準化研究

王智瑋中國信息通信研究院泰爾終端實驗室工程師
沈雅琴中國信息通信研究院泰爾終端實驗室助理工程師
戴昌金中國信息通信研究院泰爾終端實驗室助理工程師
盧知白中國信息通信研究院泰爾終端實驗室助理工程師
龐帥中國信息通信研究院泰爾終端實驗室助理工程師

隨著無線電能傳輸技術的快速發(fā)展，汽車已成為下一個重要的應用領域。本文對車載無線充電技術的工作原理及國內(nèi)外相關標準化工作的發(fā)展情況進行了分析和研究。

無線充電；無線電能傳輸；車載應用

1　引言

隨著無線充電技術在便攜式消費電子領域的廣泛應用與車聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，相應的推動了車載無線充電設備的廣泛需求，汽車有望成為無線充電技術的下一波潛力應用。

當智能設備與汽車間的數(shù)據(jù)傳輸可以通過藍牙，甚至NFC技術來完成時，有理由相信必須要通過數(shù)據(jù)線才能夠為智能設備進行充電終將成為歷史。隨著汽車消費電子協(xié)會（CE4A）宣布未來將全面推廣采用Qi無線充電技術標準，面向移動設備的車載無線充電技術也會成為未來的發(fā)展趨勢。

2　車載無線充電技術

2.1技術原理

無 線 電 能 傳 輸（Wireless Power Transfer/ Transmission，WPT），也稱為“非接觸式電能傳輸”，是一項讓人充滿期待和憧憬的應用型新技術，其具有無線科技的優(yōu)越性和便利性，也許在不久的將來，占據(jù)空間各個角落的電線剪不斷理還亂的情況將不復存在，而在公共基礎設施中配備無線供/充電功能也將會有可能成為現(xiàn)實。當前，從技術原理上可以將無線供電技術劃分為電磁感應式、磁諧振式與微波輻射式3類（見表1）。

電磁感應式無線供電技術最早發(fā)現(xiàn)于19世紀，基于法拉第電磁感應原理，通過磁通量的變化產(chǎn)生感應電動勢，電流流過線圈時將產(chǎn)生磁場，此時將另一未通電的線圈（次級線圈）置入該磁場中，在該線圈中就會產(chǎn)生電流。典型的電磁感應式無線充電系統(tǒng)原理非常類似于使用鐵（磁）心工作的傳統(tǒng)變壓器，通過利用一對線圈之間的電磁感應來實現(xiàn)充電，目前市場上的產(chǎn)品幾乎均采用該技術原理。

磁諧振方式的工作原理使用一個線圈和電容組成諧振器，利用發(fā)射線圈和接收線圈之間的諧振來實現(xiàn)電能傳輸。即使在收發(fā)線圈之間的耦合效應很弱時，通過調(diào)整兩個高Q值線圈的共振頻率進行精確匹配，即可實現(xiàn)電能在兩個線圈之間的遠距離傳輸。因此，相對發(fā)送線圈的X-Y平面，接收線圈位置可以非常靈活。由于近場耦合方式的工作距離很近（一般小于1cm），近場感性耦合也稱為緊耦合，磁場諧振式的工作距離相對較遠也稱為松耦合。

微波輻射式。通過輻射電磁波的形式在遠場范圍內(nèi)采用定向天線實現(xiàn)遠距離供電，該方式的發(fā)射部分主要將能量以電能功率轉(zhuǎn)化為射頻功率并以一種可控制和低損耗的方式將功率以微波的方式輻射出去，接收裝置則利用整流天線把微波能量轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷骰蚪涣麟娔?。目前，市場上已出現(xiàn)了能夠為移動設備進行充電的微波式無線供電產(chǎn)品。這種技術方式更適合于長距離、大范圍且不易受環(huán)境影響的電能傳輸，如傳感器網(wǎng)絡供電、低軌道衛(wèi)星供電領域等。

表1　主流無線供電技術

2.2技術論壇與組織

從2015年開始，越來越多在業(yè)界領先的汽車制造商已經(jīng)嘗試在自家的新車中集成無線充電系統(tǒng)，從而希望推動無線充電技術成為領先的汽車標配。但是，隨著無線充電技術的大規(guī)模應用，一個統(tǒng)一兼容的無線供電技術標準無疑能夠加速該技術的大規(guī)模應用。當前，無線供電技術共有兩個比較成熟的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟標準，分別是Qi標準與AirFuel技術標準；其中，AirFuel聯(lián)盟由Power Matters Alliance（PMA）協(xié)會與Alliance for Wireless Power（A4WP）聯(lián)盟合并而成。目前，上述技術規(guī)范尚不能完全兼容，但從各個組織目前的技術演進路線來看，無線充電下一步的發(fā)展趨勢是大功率、遠距離無線充電。表2就各個聯(lián)盟的發(fā)展情況和技術特征進行了簡要介紹。

表2　不同聯(lián)盟技術標準間的比較

注：由于A4WP與PMA合并后各自的技術規(guī)范還在獨立演進，故單獨列出介紹。

無線充電聯(lián)盟（WPC）是最早建立的無線充電技術標準化組織，也是目前世界上最大的無線充電技術聯(lián)盟，由飛利浦、Fulton、Convenient Power等公司共同發(fā)起成立，重點開發(fā)緊耦合電磁感應技術規(guī)范，推出了“Qi”產(chǎn)品標準。根據(jù)不同的產(chǎn)品應用，WPC先后發(fā)布了適用于智能設備的5W與15W技術規(guī)范，并且同時為電動工具、廚房電器等設備開發(fā)了功率等級在數(shù)十瓦至上千瓦的大功率無線充電技術標準。為了保證傳輸效率，Qi規(guī)范中專門規(guī)定了相對發(fā)射機的接收線圈的放置。由于導體材料在發(fā)送線圈和接收線圈之間的電磁場中會存在溫升效應，出于安全考慮，WPC在規(guī)范中也增加了異物檢測（Foreign Object Detection，F(xiàn)OD）的認證要求。

PMA（Power Matters Alliance）于2012年3月由Powermat、Google、AT&T、Starbucks等公司成立，主要關注公用服務的應用接口標準，致力于為符合IEEE協(xié)會標準的手機和電子設備，打造無線供電標準，其工作頻率為277～357kHz。PMA標準可以通過兩種方案來實現(xiàn)無線充電，一種是透過內(nèi)建無線充電芯片，另一種則是采用一種叫做WiCC無線充電卡，使用時只需要安裝在移動設備的電池上即可；同時，WiCC卡也可以作為NFC（近場通訊）天線使用。

A4WP（Alliance for Wireless Power）于2012年成立，由Qualcomm、Samsung等公司成立，主要聚焦于松耦合的電磁感應技術；其產(chǎn)品使用6.78MHz用于無線電能的傳輸，而發(fā)射端與接收端的信令控制則使用2.45GHz的低功耗藍牙技術。A4WP標準能夠支持發(fā)送線圈同時為多臺設備充電，其有效充電范圍變大，被充電設備擺放位置相對自由。A4WP關注不同系統(tǒng)間的互操作性，采用公共信道機制，可以用一個電源向多個設備供電，目前更多地關注于移動電話的無線充電，今后將會關注更多應用場景。

兩大聯(lián)盟已于2015年6月正式宣布合并，將重點開發(fā)基于感應、共振以及多模的無線充電標準。

3　無線供電技術的標準化研究

目前，國內(nèi)外不同的標準化協(xié)會都在加快推進無線充電技術與法規(guī)標準的制定工作。

國際上，消費電子協(xié)會（CEA）在便攜終端及車載電子技術標準化委員會的主導下，成立了推動該項技術標準化的“R6.3Wireless Power Subcommittee”分委員會，設立了5個標準化工作組，發(fā)布了CEA-2042.1標準規(guī)范要求。日本寬帶無線論壇（BWF）專門設立了“WPT標準開發(fā)委員會”，面向50W以下的產(chǎn)品制定“無線電力傳輸技術指南”。國際電工委員會（IEC）與國際標準化組織（ISO）的共同工作組也在積極推進汽車領域的無線充電技術標準化工作，最終的國際標準預計將于2017年前后發(fā)布。

從國內(nèi)發(fā)展情況來看，2011年，中國通信標準化協(xié)會（CCSA）便正式啟動了有關無線充電技術與標準的研究，其《近場無線充電技術研究》已經(jīng)報批；同時，還完成了《無線電源設備電磁兼容性要求和測試方法》和《短距離及類似設備電磁照射符合性要求（10Hz～30MHz）》兩項行業(yè)標準的報批工作。與此同時，標準化組織間的聯(lián)合標準化活動也對無線供電技術顯示了很高的關注度，中日韓標準化協(xié)調(diào)組織（CJK）也在WPT技術標準化方面起到了很大的推動作用。表3總結(jié)了目前全球WPT技術標準化組織的主要概況。

表3　國際標準化工作概況

除了滿足WPT設備技術標準外，目前不同國家地區(qū)針對WPT設備的法律法規(guī)要求也不盡然相同。歐美國家目前主要基于現(xiàn)有法規(guī)框架，根據(jù)無線電源設備的不同構成部分和工作頻段對其進行管理，大致的思路是將無線能量傳輸部分的功能參照工科醫(yī)（ISM）設備進行EMC及安全方面的核準，同時將其通信功能部分按照無線電設備的要求進行管理。表4對不同國家地區(qū)的監(jiān)管要求做了梳理總結(jié)。

表4　WPT設備相關認證標準

對于無線充電設備的認證要求，除了上述提到的之外，還有涉及ROHS、能效、標識等普通車載電子產(chǎn)品所需要適用的其他法規(guī)類要求。

4　結(jié)束語

隨著車載無線充電技術越來越成熟，移動設備制造商、電源設備供應商以及汽車零部件供應商都紛紛加快了進軍車載無線充電技術領域的步伐，期望通過無線充電技術來解決一直困擾移動設備在車內(nèi)的充電問題，雖然暫時還受制于車內(nèi)空間僅支持一對一的充電操作，但是基于電磁感應技術的無線充電產(chǎn)品已經(jīng)通過了市場的檢驗，為人們帶來了更加便捷的駕駛體驗。

受益于汽車產(chǎn)業(yè)的推動與車載無線充電技術的技術標準的統(tǒng)一，目前無線充電產(chǎn)品已向著汽車系統(tǒng)級整合配件方向發(fā)展，我們也期待無線充電系統(tǒng)將來也會和現(xiàn)有的車載技術一樣成為車載信息娛樂系統(tǒng)的標準裝備。

車載無線充電產(chǎn)品在市場上已如雨后春筍般出現(xiàn)，我國的相關部門也在加緊研究無線充電設備的法律法規(guī)要求與監(jiān)管政策。監(jiān)管政策的及時出臺將會對產(chǎn)品的應用和技術發(fā)展起到積極作用。本文所研究國際標準化趨勢與監(jiān)管要求，亦可為相關的研究提供參考。

［1］王洪博，朱軼智.無線供電技術的發(fā)展和應用前景［J］.電信技術，2010.09.

［2］楊軍，朱亮.無線電源設備的法規(guī)認證要求［J］.現(xiàn)代電信科技，2014.

［3］Grajski，Tseng，Wheatley.IEEEIMS2012: Loosely-Coupled Wireless Power Transfer: Physics，Circuits，Standards.

Study on wireless charging and standardization on board

WANG Zhiwei，SHEN Yaqin，DAI Changjin，LU Zhibai，PANG Shuai

With the rapid development of wireless charging technology， which will be applied in the cutting-edge field of automotive industry. This paper summarizes working principle of wireless charging application technology and status quo of standardization at home and abroad.

wireless charging； wireless power transfe； application on vehicles

2016-05-10）