1、引言

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

當(dāng)智能設(shè)備與汽車間的數(shù)據(jù)傳輸可以通過藍(lán)牙，甚至NFC技術(shù)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(shè)備進(jìn)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)，面向移動設(shè)備的車載無線充電技術(shù)也會成為未來的發(fā)展趨勢。

2、車載無線充電技術(shù)

2.1、技術(shù)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(yīng)用型新技術(shù)，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(fù)存在，而在公共基礎(chǔ)設(shè)施中配備無線供/充電功能也將會有可能成為現(xiàn)實。當(dāng)前，從技術(shù)原理上可以將無線供電技術(shù)劃分為電磁感應(yīng)式、磁諧振式與微波輻射式3類（見表1）。

表1、主流無線供電技術(shù)

電磁感應(yīng)式無線供電技術(shù)最早發(fā)現(xiàn)于19世紀(jì)，基于法拉第電磁感應(yīng)原理，通過磁通量的變化產(chǎn)生感應(yīng)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(yīng)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(yīng)來實現(xiàn)充電，目前市場上的產(chǎn)品幾乎均采用該技術(shù)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(yīng)很弱時，通過調(diào)整兩個高Q值線圈的共振頻率進(jìn)行精確匹配，即可實現(xiàn)電能在兩個線圈之間的遠(yuǎn)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(yuǎn)也稱為松耦合。

微波輻射式。通過輻射電磁波的形式在遠(yuǎn)場范圍內(nèi)采用定向天線實現(xiàn)遠(yuǎn)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)橹绷骰蚪涣麟娔堋Ｄ壳埃袌錾弦殉霈F(xiàn)了能夠為移動設(shè)備進(jìn)行充電的微波式無線供電產(chǎn)品。這種技術(shù)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(luò)供電、低軌道衛(wèi)星供電領(lǐng)域等。

2.2、技術(shù)論壇與組織

從2015年開始，越來越多在業(yè)界領(lǐng)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(shù)成為領(lǐng)先的汽車標(biāo)配。但是，隨著無線充電技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，一個統(tǒng)一兼容的無線供電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)無疑能夠加速該技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。當(dāng)前，無線供電技術(shù)共有兩個比較成熟的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)，分別是Qi標(biāo)準(zhǔn)與AirFuel技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；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(shù)規(guī)范尚不能完全兼容，但從各個組織目前的技術(shù)演進(jìn)路線來看，無線充電下一步的發(fā)展趨勢是大功率、遠(yuǎn)距離無線充電。表2就各個聯(lián)盟的發(fā)展情況和技術(shù)特征進(jìn)行了簡要介紹。

表2、不同聯(lián)盟技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)間的比較

注：由于A4WP與PMA合并后各自的技術(shù)規(guī)范還在獨立演進(jìn)，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(shù)標(biāo)準(zhǔn)化組織，也是目前世界上最大的無線充電技術(shù)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(yīng)技術(shù)規(guī)范，推出了“Qi”產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)不同的產(chǎn)品應(yīng)用，WPC先后發(fā)布了適用于智能設(shè)備的5W與15W技術(shù)規(guī)范，并且同時為電動工具、廚房電器等設(shè)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)。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(jī)的接收線圈的放置。由于導(dǎo)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(yīng)，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(rèn)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(guān)注公用服務(wù)的應(yīng)用接口標(biāo)準(zhǔn)，致力于為符合IEEE協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)的手機(jī)和電子設(shè)備，打造無線供電標(biāo)準(zhǔn)，其工作頻率為277~357 kHz。PMA標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(yīng)技術(shù)；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(lán)牙技術(shù)。A4WP標(biāo)準(zhǔn)能夠支持發(fā)送線圈同時為多臺設(shè)備充電，其有效充電范圍變大，被充電設(shè)備擺放位置相對自由。A4WP關(guān)注不同系統(tǒng)間的互操作性，采用公共信道機(jī)制，可以用一個電源向多個設(shè)備供電，目前更多地關(guān)注于移動電話的無線充電，今后將會關(guān)注更多應(yīng)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(yīng)、共振以及多模的無線充電標(biāo)準(zhǔn)。

3、無線供電技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化研究

目前，國內(nèi)外不同的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會都在加快推進(jìn)無線充電技術(shù)與法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)化委員會的主導(dǎo)下，成立了推動該項技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的“R6.3 Wireless Power Subcommittee”分委員會，設(shè)立了5個標(biāo)準(zhǔn)化工作組，發(fā)布了CEA-2042.1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。日本寬帶無線論壇（BWF）專門設(shè)立了“WPT標(biāo)準(zhǔn)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(shù)指南”。國際電工委員會（IEC）與國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的共同工作組也在積極推進(jìn)汽車領(lǐng)域的無線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作，最終的國際標(biāo)準(zhǔn)預(yù)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(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（CCSA）便正式啟動了有關(guān)無線充電技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的研究，其《近場無線充電技術(shù)研究》已經(jīng)報批；同時，還完成了《無線電源設(shè)備電磁兼容性要求和測試方法》和《短距離及類似設(shè)備電磁照射符合性要求（10Hz~30MHz）》兩項行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的報批工作。與此同時，標(biāo)準(zhǔn)化組織間的聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn)化活動也對無線供電技術(shù)顯示了很高的關(guān)注度，中日韓標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)調(diào)組織（CJK）也在WPT技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)化組織的主要概況。

表3、國際標(biāo)準(zhǔn)化工作概況

除了滿足WPT設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)外，目前不同國家地區(qū)針對WPT設(shè)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(shè)備的不同構(gòu)成部分和工作頻段對其進(jìn)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(shè)備進(jìn)行EMC及安全方面的核準(zhǔn)，同時將其通信功能部分按照無線電設(shè)備的要求進(jìn)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(shè)備相關(guān)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)

對于無線充電設(shè)備的認(rèn)證要求，除了上述提到的之外，還有涉及ROHS、能效、標(biāo)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(shù)越來越成熟，移動設(shè)備制造商、電源設(shè)備供應(yīng)商以及汽車零部件供應(yīng)商都紛紛加快了進(jìn)軍車載無線充電技術(shù)領(lǐng)域的步伐，期望通過無線充電技術(shù)來解決一直困擾移動設(shè)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(yīng)技術(shù)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(shù)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(shù)一樣成為車載信息娛樂系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)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(guān)部門也在加緊研究無線充電設(shè)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(yīng)用和技術(shù)發(fā)展起到積極作用。本文所研究國際標(biāo)準(zhǔn)化趨勢與監(jiān)管要求，亦可為相關(guān)的研究提供參考。

參考文獻(xiàn)

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[3] Kamil A. Grajski, Ryan Tseng and Chuck Wheatley. IEEE IMS 2012: Loosely-Coupled Wireless Power Transfer: Physics, Circuits, Standards.

作者簡介

王智瑋：中國信息通信研究院泰爾終端實驗室工程師，主要從事近場通信、無線供電、移動支付等領(lǐng)域的研究工作。
沈雅琴：中國信息通信研究院泰爾終端實驗室副總工程師，主要從事移動通信，電磁兼容等領(lǐng)域的研究工作。