無線充電技術(shù)發(fā)展綜述

張廣冬，郝昕玉，袁鐵軍，宋樹權(quán)

(鹽城工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051)

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無線充電技術(shù)發(fā)展綜述

張廣冬，郝昕玉，袁鐵軍，宋樹權(quán)

(鹽城工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051)

無線充電技術(shù)是通過電磁波進(jìn)行無線電力輸送。無線充電技術(shù)可以使產(chǎn)品設(shè)計(jì)擺脫線纜的束縛，使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)更加緊湊和小型化。文中介紹了電動(dòng)汽車的無線充電技術(shù)，為克服電動(dòng)車充電線纜較粗重，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的無線充電；消費(fèi)電子無線充電的標(biāo)準(zhǔn)化、小型化、低功耗化的發(fā)展趨勢；物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和無線傳感網(wǎng)絡(luò)的傳感器無需通過線纜連接、供電和數(shù)據(jù)下發(fā)和上傳；遠(yuǎn)距離微波和激光輸電技術(shù)。以及純電動(dòng)汽車無線充電、充電效率、其對人體的影響、超低功耗傳感器和無線充電技術(shù)的商業(yè)化運(yùn)營是未來無線充電技術(shù)的研究重點(diǎn)。

電磁感應(yīng)；磁共振耦合；NFC；RFID；電動(dòng)汽車

無線充電技術(shù)(Wireless Charging Technology)起源于尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)的無線電力輸送設(shè)想，通過電磁波進(jìn)行無線電力輸送。無線充電技術(shù)可以使產(chǎn)品設(shè)計(jì)擺脫線纜的束縛，使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)更加緊湊和小型化。目前研究重點(diǎn)主要集中在電動(dòng)汽車的無線充電技術(shù)(克服目前客戶對電動(dòng)車充電線纜較粗重的感覺以及實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的無線充電)，消費(fèi)電子的無線充電(標(biāo)準(zhǔn)化、小型化、低功耗化是目前的發(fā)展趨勢)，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和無線傳感網(wǎng)絡(luò)(傳感器無需通過線纜連接以供電和數(shù)據(jù)下發(fā)和上傳)，遠(yuǎn)距離微波和激光輸電技術(shù)。國內(nèi)外學(xué)者對此開展了大量的研究工作。

1 主要技術(shù)

無線充電技術(shù)按照使用的電磁波的頻段進(jìn)行劃分，總體上可以分為兩大類[1]：基于非輻射電磁場(近場頻段，Near Field Channel)和基于輻射性的電磁場(遠(yuǎn)場頻段，F(xiàn)ar Field Channel)。基于非輻射電磁場的技術(shù)主要有：電磁感應(yīng)技術(shù)、磁共振耦合技術(shù)、電場耦合技術(shù)、近距離無線通訊技術(shù)(Near Field Communication, NFC)；而基于輻射性的電磁場的技術(shù)主要有超高頻無線電波技術(shù)、微波和激光技術(shù)。無線充電主要應(yīng)用的頻率如表1所示。

表1 頻率與無線充電(輸電)技術(shù)

1.1 非輻射電磁場

(1)電磁感應(yīng)：通過電磁感應(yīng)原理將能量(交流電)從輸入端(初級線圈)無線傳輸至輸出端(次級線圈)，兩線圈需要近距離接觸。該技術(shù)發(fā)展最為成熟，在低功耗電子產(chǎn)品中已經(jīng)商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化。但是目前充電距離短(距離不能超過線圈半徑，一般為10 cm)，初次級線圈需要對齊，充電功率低(目前廣泛應(yīng)用為5 W)，數(shù)據(jù)通信為單向通信(只能由輸入端傳輸至輸出端，以反向調(diào)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸)，影響了該技術(shù)的在其他領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用；

(2)磁共振耦合(Magnetic Resonance Coupling)：通過能量發(fā)送裝置和能量接收裝置在一個(gè)特定的頻率上共振，從而實(shí)現(xiàn)能量的交換和傳遞。2007年，麻省理工學(xué)院(MIT)的André Kurs等人[2]利用磁共振耦合原理成功點(diǎn)亮了兩米外的一盞60 W的燈泡，并將該技術(shù)命名為WiTricity。其使用的自耦合線圈是一對￠6 mm的銅線纏繞5.25圈，線圈半徑為25 cm，通過分布電感和分布電容的相互作用來實(shí)現(xiàn)耦合，共振頻率為9.9 MHz；

(3)電場耦合方式(Electrical-field Coupled)：電場耦合方式利用通過沿垂直方向耦合兩組非對稱偶極子而產(chǎn)生的感應(yīng)電場來傳輸電力。由于電極處電壓高達(dá)1.5 kV，送電模塊尺寸為30～108 mm，受電模塊尺寸為11.5～76.5 mm，傳輸功率僅為10 W，無法小型化和內(nèi)置，應(yīng)用范圍有所限制。目前采用電場耦合技術(shù)的廠商只有日本的村田制作所；

(4)近距離無線通訊技術(shù)(Near Field Communication，NFC)，由非接觸式射頻識別RFID演變而來，是一種短距高頻的無線電技術(shù)，工作頻率為13.56 MHz，傳輸距離約10 cm。NFC技術(shù)具備了能量傳輸?shù)哪芰?，但目前NFC標(biāo)準(zhǔn)中并未包含無線充電的內(nèi)容。2012年，芬蘭VTT技術(shù)研究中心的Esko Str?mmer等人[3]提出了基于NFC的無線充電技術(shù)的概念設(shè)計(jì)，可以利用現(xiàn)有的NFC天線，從而為小型設(shè)備提供集成化和低成本的無線充電解決方案。2013年，瑞薩電子(Renesas Electronics Corporation)[4-5]提出了首款NFC無線充電解決方案， 單個(gè)天線實(shí)現(xiàn)功率發(fā)射和數(shù)據(jù)接收，將充電區(qū)域拓寬到10 cm，支持雙向通信，安全性更高。

1.2 輻射性的電磁場

超高頻無線電波：由美國Powercast公司提出，工作頻率為915 MHz，最大傳輸距離(中距離)約為8 m，目標(biāo)應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)閭鞲衅黝I(lǐng)域。其工作原理類似于早期的礦石收音機(jī)，主要由微波發(fā)射裝置和微波接收裝置組成。微波接收裝置可以捕獲發(fā)射器發(fā)出的各類電波，并將其轉(zhuǎn)換成可用的電能。發(fā)射器還具有發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的功能，可以將外部輸入的數(shù)據(jù)發(fā)送到傳感器節(jié)點(diǎn)。

微波(Microwaves)和激光(Laser)無線電力傳輸：1968年美國學(xué)者Glaser[6]提出了利用電磁波接收裝置將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的設(shè)想。2003年，法國國家科學(xué)研究中心的Karalis A等人以2.45 GHz的頻率向接近1 km的一個(gè)村莊進(jìn)行了點(diǎn)對點(diǎn)無線供電[7]。

2 主要工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)前主流的無線充電標(biāo)準(zhǔn)有：Qi標(biāo)準(zhǔn)[8]、Power Matters Alliance(PMA)標(biāo)準(zhǔn)、Alliance for Wireless Power(A4WP)標(biāo)準(zhǔn)。目前電磁感應(yīng)技術(shù)和磁共振技術(shù)正在相互融合，A4WP和PMA兩大陣營宣布，將相互兼容對方的無線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并且基于兩大標(biāo)準(zhǔn)的無線充電設(shè)備，均可兼容對方標(biāo)準(zhǔn)的手機(jī)。而Qi標(biāo)準(zhǔn)在1.2版中也明確加入了磁共振技術(shù)。

Qi標(biāo)準(zhǔn)是一種由無線充電聯(lián)盟(Wireless Power Consortium，WPC)所制定的短距離低功率無線感應(yīng)式電力傳輸?shù)幕ミB標(biāo)準(zhǔn)，主要用于低功率設(shè)備的無線充電。WPC最早由8家公司創(chuàng)立，目前已有212家成員公司。1.0版Qi標(biāo)準(zhǔn)采用電磁感應(yīng)技術(shù)，采用低頻非電離頻率100～205 kHz，充電距離為10 mm，只支持一個(gè)設(shè)備充電，初次級線圈要求對齊，能源轉(zhuǎn)換效率約為85%，功率為5 W。1.2版Qi標(biāo)準(zhǔn)，采用電磁感應(yīng)和磁共振技術(shù)，將充電距離擴(kuò)展至45 mm，支持多終端同時(shí)充電，最大功率可達(dá)2 kW。

PMA技術(shù)同樣基于電磁感應(yīng)技術(shù)，由寶潔公司和Powermat創(chuàng)立，采用頻率為277～357 kHz的電磁波，其他與Qi標(biāo)準(zhǔn)類似。

A4WP 磁共振技術(shù)(Rezence規(guī)范)，由三星與Qualcomm創(chuàng)立，頻率范圍為6.765～6.795 MHz(中心頻率為 6.780 MHz)，功率范圍為10～15 W，充電距離遠(yuǎn)，線圈無需對齊，但效率比Qi略低。

3 目前主要的研究方向和展望

(1)電動(dòng)車EV無線充電技術(shù)。以特斯拉為首的電動(dòng)汽車的成功，使得大多數(shù)汽車制造商加速了電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的布局，同時(shí)也驅(qū)動(dòng)了學(xué)術(shù)界對電動(dòng)汽車EV無線充電/無線供電技術(shù)( Wireless Power Transmission, WPT)的研究。在電動(dòng)汽車EV中應(yīng)用的WPT技術(shù)[9]主要分為兩種：射頻或微波WPT、電磁共振式WPT。2013年，京東大學(xué)的Naoki Shinohara等人[10]開發(fā)了兩種電動(dòng)汽車微波電力傳輸WPT系統(tǒng)，一種類似于感應(yīng)耦合和磁耦合的短距離WPT系統(tǒng)，一種是無需耦合的中距離WPT系統(tǒng)。2011年，東南大學(xué)的黃學(xué)良等人[11]對基于磁共振耦合的電動(dòng)車無線電力傳輸?shù)耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。2012年，美國德爾福汽車系統(tǒng)公司的Heri Rakouth等人[12]基于磁共振耦合WiTricity技術(shù)的3.3 kW的無線充電站傳輸效率可達(dá)90%。2013年，中國科學(xué)院的廖承林等人[13]設(shè)計(jì)了基于磁諧振耦合無線能量傳輸技術(shù)的電動(dòng)汽車中距離無線充電系統(tǒng)，并搭建了充電效率3 300 W、傳輸距離22 cm、端對端效率85%的電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)以驗(yàn)證其可行性;

(2)充電效率和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對于充電效率的提高有著較大影響。2014年，弗吉尼亞理工大學(xué)的Liguang Xie等人[14]提出蜂窩結(jié)構(gòu)的多節(jié)點(diǎn)無線能量傳輸技術(shù)，對優(yōu)化路徑、路由流量和充電時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，解決了無線充電技術(shù)的擴(kuò)展性問題。2013年，香港城市大學(xué)的Peng Wu等人[15]通過一項(xiàng)低成本技術(shù)將RF限制在充電板表面區(qū)域以提高充電效率。2012年，中國礦業(yè)大學(xué)的夏晨陽等人[16]，針對磁共振耦合電能傳輸(CMRPT)系統(tǒng)功率傳輸和效率優(yōu)化問題，對系統(tǒng)的磁路機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。2015年，丁煦[17-18]等人提出了可充電無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)變動(dòng)態(tài)拓?fù)淠Ｐ?，以最大化能量補(bǔ)給設(shè)備駐站時(shí)間比為目標(biāo)對該模型進(jìn)行了優(yōu)化研究;

(3)無線充電技術(shù)對人體的影響分析。無線充電技術(shù)的發(fā)展一直伴隨著質(zhì)疑，主要就是電磁場輻射對人體產(chǎn)生的影響。2014年，法國高等電力學(xué)院SUPELEC的Ping-Ping Ding等人[19]使用有限元方法對電動(dòng)車無線感應(yīng)充電系統(tǒng)的電磁場作用于人體的影響進(jìn)行了評估。充電系統(tǒng)功率為3 kW，頻率為30 kHz。研究表明即使人體非常接近發(fā)射線圈，電磁輻射的水平也可以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。而對于大功率無線充電技術(shù)，必須采取電磁屏蔽措施以保證人體電磁輻射水平在安全范圍。2014年，南京大學(xué)的戴海鵬、陳貴海等人[20]研究了無線充電調(diào)度的安全充電問題，以傳輸更多能量的同時(shí)保證場內(nèi)任何位置的電磁輻射均低于給定的闕值，采用基于8個(gè)Powercast TX91501信號發(fā)射器驗(yàn)證了其結(jié)果;

(4)無線充電技術(shù)對傳感器技術(shù)提出了更高的要求。超低功耗傳感器，特別是對于無線電波RF方式，傳輸?shù)墓β瘦^小，如果傳感器耗能較多，導(dǎo)致充電效率大幅下降，那么傳感器的工作周期屬于階段性工作，不能充分發(fā)揮傳感器的作用。2012年，三星電子的Young-Jun Hong等人[21]提出了無線充電系統(tǒng)的超低功耗傳感器平臺，RF發(fā)射器和接收器分別消耗1.79 mW和0.683 mW，提供1.2 mW的充電能量，將傳感器平臺的工作時(shí)間從41 h延長至168 h;

(5)無線充電技術(shù)的接入認(rèn)證，對于無線充電技術(shù)的商業(yè)化特別重要，比如公用充電設(shè)施的授權(quán)和計(jì)費(fèi)，如停車場、計(jì)費(fèi)式的充電站等。目前普遍采用的主要有2.4 GHz 頻段上的藍(lán)牙4.0(目前Rezence規(guī)范采用)，NFC[22]以及RFID等。

4 結(jié)束語

無線充電技術(shù)的出現(xiàn)使得尼古拉·特斯拉的設(shè)想成為現(xiàn)實(shí)，電力可以在電磁場中以電磁波的形式進(jìn)行傳輸。電磁感應(yīng)技術(shù)和磁共振耦合技術(shù)成為無線充電技術(shù)的主流。在消費(fèi)電子和電動(dòng)汽車大量需求的驅(qū)動(dòng)下，無線充電技術(shù)的發(fā)展將進(jìn)入到一個(gè)全新階段。

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Review of Development of Wireless Charging Technology

ZHANG Guangdong，HAO Xinyu，YUAN Tiejun，SONG Shuquan

(School of Mechanical Engineering,Yancheng Institute of Technology,Yancheng 224051,China)

Wireless charging technology is wireless power transmission through electromagnetic wave. Wireless charging technology allows the product design to get rid of the shackles of the cable, making the product design more compact and small. This paper focuses on the wireless charging technology for electric vehicles, electric vehicle charging cable to overcome the difficult realization of wireless charging, whenever and wherever possible development trend of standardization; consumer electronics, wireless charging miniaturization and low power consumption; sensor networking applications and wireless sensor networks without the need for cable, power supply and data sending and upload; remote microwave and laser transmission technology. And the commercial operation of pure electric vehicle wireless charging, charging efficiency, its impact on human body, ultra low power consumption sensor and wireless charging technology is the focus of future wireless charging technology research.

electromagnetic induction; magnetic resonance coupling; NFC; RFID; electric vehicle

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.12.047

2016- 07- 04

江蘇省科技計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(BY2015057-22)

張廣冬(1983-)，男，碩士，講師。研究方向：微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

TN86

A

1007-7820(2016)12-170-04