廈門理工學院電子信息工程系 余長青

無線供電技術初探

廈門理工學院電子信息工程系 余長青

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

無線供電；電磁輻射式；電磁諧振式；電磁感應式；WPC；PMA；A4WP

0 引言

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

1 無線供電技術的發(fā)展歷程

Nicola Tesla是19世紀末偉大的科學家和電氣工程師，他在電氣技術上作出的非凡貢獻推動了社會的進步和發(fā)展。早在1890年他就做過無線供電的實驗，是最早進行無線供電實驗的人。進入21世紀，便攜式電子產(chǎn)品大量涌現(xiàn)，隨著微機電系統(tǒng)、電力電子技術和高頻電源技術的發(fā)展，有力的推動了無線供電技術的發(fā)展，目前已有多家廠商和研究機構相繼開發(fā)和生產(chǎn)出多個非接觸供電系統(tǒng)和產(chǎn)品。

2001年5月法國科學家使用微波無線供電技術，成功點亮了40m之外200W的燈泡。兩年后建造的另一個微波輸電裝置，以2.45GHz頻率傳輸10kW電能，可以對1km外的村莊進行單一無線電能傳輸。

2005年，中國香港許樹源教授成功研制了一個平臺對電池進行充電，但是它充電時需要將產(chǎn)品與充電器接觸。后來其它廠商開發(fā)的手機無線充電產(chǎn)品大多也都是要把手機放在充電板上。

2007年6月，麻省理工大學的Marin Soljacic和他的研究團隊做了一個演示，他們給一個半徑為30cm的線圈通電，利用磁耦合共振原理，成功點亮了1.9m之外連接在另一個線圈上的60瓦W燈泡。2010年1月在第四十三屆國際消費類電子產(chǎn)品展覽會（CES）上，海爾展示了全球首臺“無尾”電視機，使用的正是Marin團隊創(chuàng)辦的企業(yè)WiTricity研制的無線供電系統(tǒng)，它可以將100W的電力傳輸?shù)骄嚯x1m的電視機處。

2008年9月北美電力研討會在其發(fā)表的論文中表示在實驗中已可以讓800W的電力以無線的形式傳輸?shù)?m遠的地方。

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

2 無線供電技術的最新發(fā)展

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

2013年11月美國汽車工程師協(xié)會宣布就電動汽車無線供電使用85kHz頻帶達成協(xié)議。此前，無線供電頻帶的爭論一直是其實用化進程的障礙。

2014年第三屆世界無線電力傳輸行業(yè)峰會上，業(yè)內(nèi)人士對無線供電標準，以及如何擴大傳輸距離、增大傳輸功率、提高傳輸效率等問題進行討論，取得了圓滿的成功。

2014年Energous發(fā)布突破性無線充電裝置WattUp，該技術基于Rezence標準，支持約4.6米的無線充電。在2015年國際消費類電子產(chǎn)品展覽會上Energous展示的WattUp無線供電技術獲得了CES2015最佳智能家居產(chǎn)品、最佳創(chuàng)新產(chǎn)品獎。WattUp是一種具有藍牙和射頻（RF）功能的發(fā)射器，使用Wi-Fi頻段向電子設備提供電力，且只需要10W或更少的功率。信號轉(zhuǎn)換模式就像Wi-Fi：通過射頻電磁波（RF）信號向支持WattUp的電子設備發(fā)送能量，每臺WattUp發(fā)射器理論上可支持最高12臺接收設備。

Energous公司稱，WattUp技術可以被大量應用到日常生活中，能夠給任何使用電池供電的10W以下的設備充電。目前兼容的設備多種多樣，包括手機、平板電腦、藍牙耳機、智能手表、電子閱讀器、遙控器、時鐘、電子玩具、照相機、攝像機、監(jiān)控攝像頭、電腦鼠標和鍵盤、電動剃須刀等，只要設置一定數(shù)量的充電站即可，每一設備都可以通過管理軟件進行控制，可以檢測在充電站發(fā)射裝置3m范圍內(nèi)是否存在無線充電設備，只要啟動程序即可進行充電。在家、辦公室以及機場等公共場所都十分適用，是無線充電技術的一大進步。

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

在2015年CES展上，英特爾推出的無線充電碗可以同時對放置于碗內(nèi)的多個耳機進行無線充電，同樣吸引了很多眼球。

2015年半導體制造商ROHM面向智能手機和平板電腦等移動設備，開發(fā)出無線供電控制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標準中等功率規(guī)格的芯片組，可在平板電腦等10W級應用中實現(xiàn)無線供電。另外，BD57015GWL還支持PMA標準，實現(xiàn)了可自動切換WPC（10W）和PMA（5W）的雙模充電。

概念變成商品，無線供電從夢想步入現(xiàn)實，未來幾年在電動汽車、移動電話、電視、電腦等領域?qū)幸粓鲂碌淖兏?。無線供電技術具有十分廣闊的市場，市場研究機構Marketsand Markets的報告指出，2011年無線供電產(chǎn)品的市場份額只有4.57億美元，預計到2017年就可能會形成70億美元的巨大市場。

3 三種無線供電技術

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

電磁輻射式無線供電技術由美國Power Cast公司開發(fā)，它以微波束代替輸電線用微波傳輸電能，整個系統(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準，且不能繞過障礙物，是點對點的傳輸方式。因為微波輻射對生物體有害，所以一般應用于衛(wèi)星等高空科技領域。

電磁感應式無線供電技術利用電磁感應原理，類似于變壓器，它把傳統(tǒng)變壓器的初、次級分開，利用感應耦合傳輸電能。這種技術可靠性高、柔性好、多功能性好，無接觸、無磨損，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）無線供電技術為麻省理工學院的Marin團隊發(fā)明，它采用非輻射式磁耦合技術，利用的是非輻射的磁近場，基于電磁感應原理，又融合了諧振技術。當接收天線的固有頻率和發(fā)射端的電磁場頻率一致時，就會產(chǎn)生共振，無線傳輸效率較高，并且這種方式對人體沒有危害。

電磁感應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，以智能手機應用為例，磁感應技術是將兩個充電線圈分別放在充電板和手機后蓋上，通過電磁耦合的形式實現(xiàn)能量的傳遞；磁共振技術則是通過電磁諧振的方式，在充電器與設備之間的空氣中傳輸電能。

電磁感應式傳輸效率能達到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10米，但其傳輸功率只有毫瓦級，且效率低；以上兩種無法兼顧傳輸效率、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到5米，效率能達到40%以上，傳輸功率能達到幾十瓦，因此應用范圍更廣泛，在手機、筆記本、平板和電動汽車等方面有很好的應用前景。

4 無線充電的標準及其發(fā)展

隨著便攜式電子產(chǎn)品和可穿戴設備的大量使用，實現(xiàn)無線充電已經(jīng)是一個現(xiàn)實的目標。3年前，諾基亞就已推出搭載無線充電功能的手機。隨著WPC、PMA和A4WP為首的旨在普及無線供電的標準團體成立并制定成國際標準，無線供電技術以歐美為中心開始逐漸在智能手機和一些基礎設施中得以應用。然而，本該一炮打紅的無線充電至今并沒有實現(xiàn)大規(guī)模普及應用，工信部泰爾實驗室主任何桂立認為：“這跟多個無線充電標準的存在有一定關系。標準不同，設備之間無法通用，市場自然也會混亂?！睆囊婚_始，無線充電標準格局就呈現(xiàn)三足鼎立的局面，技術的實現(xiàn)需要硬件支持，廠商不可能為每一個標準生產(chǎn)一套相應的設備，結(jié)果就是無線充電技術無法實現(xiàn)商業(yè)化普及。市場調(diào)研公司IHS預計，2018年全球無線充電市場規(guī)模將達到85億美元，2019年將沖破100億美元大關。但是，由于三大行業(yè)組織相互競爭，已嚴重影響了無線充電的普及。

當前無線充電市場共有三大行業(yè)組織，他們是WPC、PMA和A4WP。2008年成立的無線充電聯(lián)盟Wireless Power Consortium（WPC）是三個聯(lián)盟中成立最早的，所推行的無線充電標準為“Qi”。Qi有超過5000萬個安裝基地，認證過684個產(chǎn)品，其陣營支持者最多，包括諾基亞、飛利浦等國際知名廠商，處于商用的領跑地位。Qi的無線充電方案已經(jīng)安裝在包括三星、諾基亞、谷歌、中興品牌在內(nèi)的超過72款移動設備里,還支持了15款已上市車型。Qi的身影也開始在一些公共場所出現(xiàn)，阿姆斯特丹的德勤辦公大樓里，每個工作區(qū)的桌子上都安裝了Qi。2015年1月，麥當勞宣布要在英國50個門店中，增加采用Qi標準的600個無線充電熱點。

電力事業(yè)聯(lián)盟PMA（Power Matters Alliance）是在北美市場發(fā)展的無線供電標準團體，由于主要成員是杜邦、星巴克、AT&T、寶潔等，PMA過去更偏向咖啡桌、家具等設備。星巴克正在美國舊金山附近的200家店面、1500個點，嘗試提供無線充電服務。

無線電力聯(lián)盟A4WP（Alliance for Wireless Power) 主要支持者包括英特爾、高通和三星，技術路線與前兩者不同。為區(qū)別于WPC和PMA，高通推動A4WP推出了電力傳輸功率達50W、支持多個設備同時充電、可穿透衣物和其他材料的Rezence標準，號稱實現(xiàn)“空間自由”和“隨放隨走”。在2015年CES展上，Energous公司展出的WattUp無線電源發(fā)射器和英特爾推出的無線充電碗，都是基于Rezence標準之上。隨著A4WP和PMA的合并成為現(xiàn)實，隨著高通和英特爾的強勢推動，也許Rezence標準會后來居上。

三足鼎立的原因是無線充電技術的不同，A4WP采用的是磁共振技術，WPC和PMA采用的是磁感應技術。磁感應技術相對比較成熟，但應用場景受限，WPC的Qi標準過去只能實現(xiàn)一對一的充電，并且和PMA的標準一樣，都必須將充電設備以精準的方式放置在充電板上。磁共振技術比較新，還未成熟，但是它未來應用的場景更廣泛，未來主流的技術應該是磁共振技術。IHS的調(diào)查報告指出，磁感應與磁共振無線充電的市場成長曲線將在2016年迎來交叉點，即磁共振方案會取代磁感應成為主流。相信磁共振技術演進到一定程度，幾個標準必然會最終統(tǒng)一。

2014年PMA和A4WP達成協(xié)議，雙方合二為一，合并后的聯(lián)盟名為AirFuel Alliance。旨在通過雙方的合并，統(tǒng)一無線充電標準，并合力建構完善的生態(tài)系統(tǒng)，推動無線充電在消費電子設備市場的快速普及。WPC也意識到磁共振的重要性，2014年7月31日，WPC宣布在Qi 1.2版本中加入磁共振技術，實現(xiàn)了一對多的充電，充電距離增加到45mm，充電功率增加到2000W，同時也兼容了原本只搭載磁感應Qi標準的產(chǎn)品。面對PMA和A4WP合并，WPC準備向中功率和磁共振發(fā)展，并發(fā)布Qi磁共振無線充電技術規(guī)范。

事實上，在過去的幾年中，許多廠商都出現(xiàn)了同時加入多個陣營的情況。Qi標準創(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)始會員，又是WPC董事會成員及PMA的資深領導會員，腳踏三只船，在三大聯(lián)盟中均處于核心地位。在市場這只巨大推手的作用下無線供電技術和標準在不斷演變和融合，兩種技術、不同聯(lián)盟的成員正在變得越來越相同,標準的統(tǒng)一也許就要到來。

5 小結(jié)

無線供電技術正成為國內(nèi)外廠商和科研機構研究的熱點和重點，隨著相關技術的發(fā)展，隨著標準的逐漸統(tǒng)一，隨著新器件的不斷推出。在巨大的市場需求推動下，無線供電技術必將迅速發(fā)展，應用前景非常廣闊。也許在不久的將來，無線供電將不再是只能供電或充電的裝置，同時又可以做到資料傳送和數(shù)據(jù)同步。

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

項目名稱：無線供電技術應用及其電磁兼容性研究。