無線充電最新技術(shù)應(yīng)用及行業(yè)規(guī)范發(fā)展

王 玢，王祎冰

（國家無線電監(jiān)測(cè)中心檢測(cè)中心，北京 100041）

0 引言

2009年，首款無線充電手機(jī)上市；2011年，脫離了5V1A有線慢充的手機(jī)也出現(xiàn)市場(chǎng)。隨后，每年都出現(xiàn)新技術(shù)，試圖革新手機(jī)充電體驗(yàn)。直至2021年1月29日，小米和摩托羅拉兩家公司在同一天公布了“隔空充電”新技術(shù)，“無線充電”一詞再次成為人們熱議 的話題。近幾年來，無線充電技術(shù)在提高電能轉(zhuǎn)化率，以及降低輻射質(zhì)量等方面，都實(shí)現(xiàn)了有效的突破，因此，該技術(shù)被成功應(yīng)用于家電家居、航空、醫(yī)學(xué)、電動(dòng)汽車等與人們生活息息相關(guān)的領(lǐng)域，隨著該技術(shù)逐步覆蓋更為廣闊的領(lǐng)域，加快研發(fā)全新形式的無線充電技術(shù)應(yīng)用，同時(shí)建立標(biāo)準(zhǔn)的行業(yè)規(guī)范，成為下一階段行業(yè)發(fā)展的目標(biāo)。

1 無線充電技術(shù)概念

無線充電技術(shù)（Wireless charging technology）是不以任何金屬導(dǎo)線或物理介質(zhì)為載體，通過電磁感應(yīng)、共振、射頻、激光發(fā)射、微波輻射等多元形式，基于空氣介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)電能傳輸?shù)男滦图夹g(shù)[1]。

2 無線充電技術(shù)的原理及最新應(yīng)用

按無線充電技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理區(qū)分，無線充電包括兩大類，即電磁耦合無線充電和無線電波充電，其中電磁耦合無線充電又細(xì)分為電磁感應(yīng)和電磁諧振無線充電；無線電波充電目前應(yīng)用比較熱門的包括射頻（RF）、激光、紅外線等無線充電技術(shù)。

2.1 電磁耦合

圖1 電磁耦合無線充電工作示意

2.1.1 電磁感應(yīng)無線充電

目前，我國市面上能夠支持無線充電的移動(dòng)設(shè)備、耳機(jī)上使用的基本均為電磁式感應(yīng)無線充電。這些設(shè)備會(huì)通過磁場(chǎng)的無線磁路代替有線電線，實(shí)現(xiàn)電力的傳輸。充電時(shí)，充電器和被充電設(shè)備都得有線圈，而且兩者的線圈必須對(duì)齊，并在極近的距離下（觸碰）才能正常工作。

2.1.2 電磁諧振無線充電

電磁諧振又被稱為磁共 振，無 線 充電也需要線圈，不過該技術(shù)的工作距離更遠(yuǎn)（最遠(yuǎn)25 cm左右）。電磁諧振無線充電比較受大型設(shè)備歡迎，比如汽車和工業(yè)機(jī)器人。

電磁諧振式無線電源充電控制系統(tǒng)的一般硬件框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，主要由無線發(fā)射端和無線接收器兩大部分組成。發(fā)射接收端由高頻諧振逆變組成電路、空心驅(qū)動(dòng)線圈及高頻諧振驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償組成電路部分組成，其中高頻諧振逆變組成電路主要可以給空心線圈的高頻輸出輸入電壓直接提供高頻交變器的電壓：高頻接收端由空心驅(qū)動(dòng)線圈及高頻諧振驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償組成電路，以及不帶負(fù)載的高頻整流器和濾波組成電路。

圖2 電磁諧振無線充電系統(tǒng)

從技術(shù)特性上來講，電磁諧振無線充電更有機(jī)會(huì)解決充電位置和同時(shí)充電設(shè)備數(shù)的問題，因?yàn)樵摷夹g(shù)對(duì)位置和距離要求更低。

全球范圍內(nèi)，采用電磁諧振無線充電的市售車型有兩款，分別來自寶馬和邁凱輪。國內(nèi)也已經(jīng)在2020年5月發(fā)布了基于WiTricity公司電磁諧振技術(shù)的《電動(dòng)汽車無線充電國家標(biāo)準(zhǔn)》。WiTricity公司的電磁諧振充電底座能夠在10-25 cm的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)90%- 93%的端到端充電效率，充電功率達(dá)到11 kW以上。

電磁諧振無線充電底座可以穿過瀝青、水泥、冰和雪實(shí)現(xiàn)充電。也就是說，停車場(chǎng)不會(huì)有妨礙駕駛、凸出于地面的充電底座，甚至有廠商正在嘗試在路面下或半空中鋪設(shè)無線充電板（類似有軌電車），實(shí)現(xiàn)邊走邊充。

2.2 無線電波

2.2.1 射頻（RF）無線充電

射頻傳輸本身不是什么最新的技術(shù)，藍(lán)牙、Wi-Fi和對(duì)講機(jī)等無線產(chǎn)品都是基于射頻工作。射頻無線充電的原理是將無線信號(hào)轉(zhuǎn)換為電力，真正的難點(diǎn)在于提高轉(zhuǎn)換效率。

2021年1月29日，小米和摩托羅拉在同一天公布了“隔空充電”，它們都能讓手機(jī)在距充電器1 m或更遠(yuǎn)的距離下實(shí)現(xiàn)“真”無線充電。根據(jù)小米官方介紹，小米隔空充電擁有17項(xiàng)技術(shù)專利，技術(shù)核心在于空間定位和隔空能量傳輸。自研的隔空充電樁內(nèi)置5個(gè)相位干涉天線，可以對(duì)手機(jī)進(jìn)行毫秒級(jí)空間定位，精準(zhǔn)探測(cè)手機(jī)位置。144個(gè)天線構(gòu)成的相位控制陣列，通過波束成形將毫米波定向發(fā)射給手機(jī)。在手機(jī)端內(nèi)，有信標(biāo)天線和小型接收天線陣列。信標(biāo)天線通過低功耗方式在空間場(chǎng)內(nèi)廣播位置信息，14根天線組成的接收天線陣列，將充電樁發(fā)射的毫米波信號(hào)，通過整流電路轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)隔空充電體驗(yàn)。

2.2.2 激光無線充電

2020年9月，華為曾在國外的社交網(wǎng)絡(luò)媒體上公開發(fā)布過一則視頻，表示他們正在探索和研究一種新型激光充電解決方案。激光雖然方向性較好，但是能量很大。不過目前已經(jīng)研發(fā)出可以吸收激光的“反激光器”，將其轉(zhuǎn)化為電能，并且為設(shè)備進(jìn)行充電。如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)中對(duì)不同光束的吸收

搭載了反激光器的設(shè)備就可以吸收激光，轉(zhuǎn)換成電能。而且，這個(gè)反激光器在相對(duì)于能量的接收比上可以高達(dá)99.996%，即它所受到的干擾極其微小。

2.2.3 紅外線無線充電

2020年底，韓國世宗大學(xué)的一個(gè)研究開發(fā)小組再次對(duì)外正式宣布，他們已經(jīng)自主開發(fā)成功了一種基于紅外線的遠(yuǎn)距離無線充電技術(shù)，目前正在進(jìn)行商業(yè)化開發(fā)。

紅外線無線充電的原理是：通過一個(gè)半導(dǎo)體激光子放大器來產(chǎn)生一條較高功率的紅外線，在經(jīng)過一個(gè)稱為衍射式紅外光柵的部分，讓紅外線從其中分散了出來。而在手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備上，通過自行安裝一個(gè)帶有回射器的接收模組，達(dá)到了遠(yuǎn)程無線充電的目標(biāo)。如圖4所示。

圖4 紅外線無線充電系統(tǒng)

它本身看上去和目前激光無線充電的各種解決模式方案差不多，但是由于使用紅外線的一些特殊性質(zhì)，也使得這項(xiàng)充電技術(shù)本身具有了一些致命的技術(shù)缺陷和一些弱點(diǎn)，即紅外線無線充電穿透性較低，不穩(wěn)定。

3 關(guān)于無線充電設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的最新進(jìn)展

長期以來，無線充電技術(shù)可謂是伴隨著種種的詬病。相對(duì)于有線充電而言，無線充電功率普遍較低，使得無線充電被貼上了雞肋的標(biāo)簽。因此，為了擺脫這個(gè)標(biāo)簽，充電效率也成為了廠商在無線充電方面爭(zhēng)相競(jìng)速的焦點(diǎn)，短短兩年時(shí)間，無線充電功率從最早的5 W、7.5 W、10 W，發(fā)展到了如今30 W、50 W、67 W，甚至是80 W。然而，在這飛速發(fā)展的過程中，問題也頻頻出現(xiàn)。

2021年2月19日，工業(yè)和信息化部官網(wǎng)發(fā)布了《無線充電（電力傳輸）設(shè)備無線電管理暫行規(guī)定（征求意見稿）》（下稱“征求意見稿”）。征求意見稿中提到：自2022年1月1日所有生產(chǎn)、進(jìn)口在國內(nèi)銷銷售、使用的移動(dòng)和便攜式無線充電設(shè)備額定傳輸功率要求小于50 W[2]。

按照征求意見稿，規(guī)定適用于移動(dòng)、便攜式以及電動(dòng)汽車（含摩托車）的無線設(shè)備，并要求移動(dòng)和便攜式無線充電設(shè)備應(yīng)當(dāng)工作在100-148.5 kHz、6765-6795 kHz、13553-13567 kHz頻段，且額定傳輸功率不超過50 W，輻射參數(shù)應(yīng)當(dāng)滿足《無線充電（電力傳輸）設(shè)備技術(shù)要求》。額定傳輸功率大于22 kW但不超過120 kW的電動(dòng)汽車（含摩托車）無線充電設(shè)備應(yīng)當(dāng)工作在19-21 kHz頻段，額定傳輸功率不超過22 kW的電動(dòng)汽車（含摩托車）無線充電設(shè)備應(yīng)當(dāng)工作在79-90 kHz頻段。除了充電功率以外，還涉及頻段、輻射值、保護(hù)區(qū)域等多個(gè)維度。在輻射值方面，也作出多方面的限定，包括磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)射限值、雜散輻射發(fā)射限值、接收阻塞限值等均有詳細(xì)規(guī)定。此次工信部的新規(guī)定，給了行業(yè)一個(gè)指導(dǎo)意見，在一定程度上填補(bǔ)了無線充電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的空缺，能夠有效解決行業(yè)的種種問題。

4 結(jié)束語

隨著無線充電技術(shù)在更多領(lǐng)域與行業(yè)的滲透，該技術(shù)必將為我國社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來突破性的改變。但是從目前最新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)應(yīng)用來看，無線充電技術(shù)領(lǐng)域還有許多問題，如輻射問題、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化問題等有待解決，相關(guān)行業(yè)人員應(yīng)加強(qiáng)該技術(shù)產(chǎn)品的性能，盡快遵循統(tǒng)一的行業(yè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，解決新規(guī)下的新問題，保證無線充電技術(shù)迎來更為矚目的市場(chǎng)前景。