無線電能傳輸技術(shù)發(fā)展與標(biāo)準(zhǔn)化工作現(xiàn)狀

陳耀

（無錫市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院，江蘇 無錫 214101）

0 引言

無線電能傳輸（WPT），是指無需導(dǎo)線或其他物理接觸，直接將電能轉(zhuǎn)換成電磁波、光波、聲波等形式，通過空間將能量從電源傳遞到負(fù)載的電能傳輸技術(shù)[1]。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電源與負(fù)載之間的完全電氣隔離，相較于傳統(tǒng)電能傳輸方式，具有更加安全、可靠、靈活等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，因此無線電能傳輸技術(shù)受到了日漸廣泛的應(yīng)用和關(guān)注。

1 無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展

無線電能傳輸技術(shù)的起源可以追溯到電磁波的發(fā)現(xiàn)。1865 年，麥克斯韋提出麥克斯韋方程組，理論上預(yù)見了電磁波的存在。1888 年，赫茲通過實(shí)驗(yàn)成功地“捕獲”了電磁波，從而為電信號(hào)的無線傳輸?shù)於藞?jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為電能的無線傳輸提供了發(fā)展的可能。最早進(jìn)行無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)的是美國(guó)科學(xué)家特斯拉，1899 年他利用 50 kHz 的交流電，在沒有導(dǎo)線物理連接的情況下，成功點(diǎn)亮了一個(gè)遠(yuǎn)處的白熾燈[2]。此后，無線電能傳輸技術(shù)在科研人員的努力研究下不斷發(fā)展、日趨成熟。

進(jìn)入 21 世紀(jì)，無線電能傳輸技術(shù)開始走向產(chǎn)品化，發(fā)展迅猛。2005 年，英國(guó) SplashPower 公司研制的無線充電“SplashPad”上市，可以實(shí)現(xiàn)1 mm 內(nèi)的無線充電。2007 年，微軟亞洲研究院設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種通用型“無線供電桌面”，將筆記本、手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備放在桌面上即可自動(dòng)開始充電或供電。2010 年，海爾公司推出采用無線電能傳輸技術(shù)的“無尾電視”。2012 年 6 月，三星公司發(fā)布了無線充電手機(jī) Galaxy S III。2015 年蘋果公司發(fā)布首款支持無線充電的設(shè)備 AppleWatch。2018年 7 月，寶馬向市場(chǎng)投放了其電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)。電動(dòng)汽車只需停放于充電底座正上方，按下啟動(dòng)按鈕，即可開始充電。此系統(tǒng)支持安裝在私人車庫(kù)，其功率為 3.2 kW，3.5 h 內(nèi)可充滿 BMW 530e iPerformance 的電池。無線電能傳輸技術(shù)的部分應(yīng)用場(chǎng)景見圖 1。

圖1 無線電能傳輸技術(shù)的部分應(yīng)用場(chǎng)景

目前，無線電能傳輸技術(shù)中，受到較多關(guān)注的主要有磁感應(yīng)耦合式（電磁感應(yīng)式）、磁耦合諧振式（磁共振式）、微波輻射式和激光方式技術(shù)[3]。這四種技術(shù)的發(fā)展歷史不同，各有優(yōu)勢(shì)，而日常生活中較為常見的應(yīng)用，如手機(jī)無線充電和電動(dòng)汽車無線充電，多數(shù)采用磁感應(yīng)耦合式、磁耦合諧振式技術(shù)。

磁感應(yīng)耦合式 WPT 系統(tǒng)主要包括整流濾波、高頻逆變、原邊補(bǔ)償、可分離變壓器、副邊補(bǔ)償和電流調(diào)理等[3]。磁感應(yīng)耦合式 WPT 技術(shù)通過高頻電磁場(chǎng)的感應(yīng)耦合作用實(shí)現(xiàn)可分離變壓器兩邊的電能傳輸。該技術(shù)原理簡(jiǎn)單，傳輸功率大，近距離傳輸效率高，但傳輸效率隨傳輸距離的增大迅速減小，所以更適合短距離傳輸。

磁耦合諧振式 WPT 系統(tǒng)主要由高頻電源、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、發(fā)射天線、接收天線和負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路等組成，其中發(fā)射、接收天線均由感應(yīng)線圈和諧振線圈組成[4]。磁耦合諧振式 WPT 技術(shù)通過磁耦合諧振作用下接收天線與發(fā)射天線發(fā)生耦合諧振，實(shí)現(xiàn)電能從發(fā)射端到接收端的高效無線傳輸（參見圖 2）。該技術(shù)適合中等距離傳輸，電磁輻射小，但傳輸易出現(xiàn)誤差，可傳輸功率仍不高。

圖2 磁感應(yīng)耦合式、磁耦合諧振式基本結(jié)構(gòu)原理圖

微波輻射式 WPT 系統(tǒng)主要包括微波功率源、發(fā)射天線和整流天線[3]。微波輻射式 WPT 技術(shù)通過將電能轉(zhuǎn)換成微波能量，經(jīng)由發(fā)射天線聚焦后向整流天線高效發(fā)射，實(shí)現(xiàn)電能在自由空間的傳輸。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高精度定向能量傳輸，傳輸過程中損耗小，可傳輸距離較遠(yuǎn)，但對(duì)傳輸系統(tǒng)要求高，傳輸效率不高，能量利用效率較低。

激光方式 WPT 系統(tǒng)主要包括激光發(fā)射部分、激光傳輸部分和激光–電能轉(zhuǎn)換部分[3]。激光方式WPT 技術(shù)通過將電能轉(zhuǎn)換成特定波長(zhǎng)的激光，經(jīng)由光學(xué)發(fā)射天線到光學(xué)接收天線，實(shí)現(xiàn)電能在自由空間的傳輸。該技術(shù)傳輸定向性好，能量密度更高，但傳輸損耗相對(duì)較大，傳輸距離相對(duì)較短，對(duì)傳輸系統(tǒng)要求高，尚不夠成熟，有待進(jìn)一步發(fā)展。

2 無線電能傳輸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

隨著無線電能傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展，與其相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化工作也隨之啟動(dòng)，日漸深入。當(dāng)前，國(guó)外除了有 IEC/TC100/TA 15 專業(yè)無線電能傳輸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化組織，還有無線充電聯(lián)盟（WPC）、AirFuel等企業(yè)自發(fā)形成的團(tuán)體組織在開展工作。這些標(biāo)準(zhǔn)包含了無線電能傳輸技術(shù)專業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)國(guó)外團(tuán)體組織制定的一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也被吸收升級(jí)為IEC 標(biāo)準(zhǔn)。目前，國(guó)內(nèi)尚無專門的無線電能傳輸技術(shù)標(biāo)委會(huì)，而主要由無線電能傳輸應(yīng)用領(lǐng)域的相關(guān)標(biāo)委會(huì)在開展標(biāo)準(zhǔn)化工作。從標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量和覆蓋面上來看，相較于國(guó)外，國(guó)內(nèi)的無線電能傳輸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作力度需要進(jìn)一步加強(qiáng)?，F(xiàn)階段，無線電能傳輸技術(shù)相關(guān)的部分標(biāo)準(zhǔn)見表 1、表 2。

表1 無線電能傳輸技術(shù)相關(guān)的部分國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

表2 無線電能傳輸技術(shù)相關(guān)的部分國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

續(xù)表

2.1 國(guó)內(nèi)相關(guān)的主要標(biāo)準(zhǔn)化組織

全國(guó)無線電干擾標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（TC79），由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)籌建及進(jìn)行業(yè)務(wù)指導(dǎo)。負(fù)責(zé)專業(yè)范圍為負(fù)責(zé)全國(guó)無線電干擾等專業(yè)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化工作。秘書處所在單位，上海電器科學(xué)研究院。

全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（TC114），由工業(yè)和信息化部籌建及進(jìn)行業(yè)務(wù)指導(dǎo)。負(fù)責(zé)專業(yè)范圍為負(fù)責(zé)全國(guó)載貨汽車、越野汽車、自卸汽車、牽引汽車、專用汽車、客車、轎車及汽車列車（包括半掛車和全掛車）、摩托車和電動(dòng)汽車和名詞術(shù)語、產(chǎn)品分類、技術(shù)要求、試驗(yàn)方法等專業(yè)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化工作。秘書處所在單位，中國(guó)汽車技術(shù)研究中心。

全國(guó)家用電器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（TC46），由中國(guó)輕工業(yè)聯(lián)合會(huì)籌建及進(jìn)行業(yè)務(wù)指導(dǎo)。負(fù)責(zé)專業(yè)范圍為負(fù)責(zé)全國(guó)家用和類似用途電器安全、性能、安裝和維修等專業(yè)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化工作。秘書處所在單位，中國(guó)家用電器研究院。

全國(guó)信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（TC28），由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)籌建，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)、工業(yè)和信息化部進(jìn)行業(yè)務(wù)指導(dǎo)。負(fù)責(zé)專業(yè)范圍為負(fù)責(zé)全國(guó)信息采集、表示、處理、傳輸、交換、表述、管理、組織、存儲(chǔ)和檢索的系統(tǒng)和工具的規(guī)范、設(shè)計(jì)和研制等專業(yè)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化工作。秘書處所在單位，中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院。

中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)是經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)成立的全國(guó)電力行業(yè)企事業(yè)單位的聯(lián)合組織，非盈利的社會(huì)經(jīng)濟(jì)團(tuán)體。業(yè)務(wù)主管部門是國(guó)家能源局。國(guó)家電網(wǎng)公司為理事長(zhǎng)單位，多個(gè)大型電力企業(yè)集團(tuán)和華北電力大學(xué)為副理事長(zhǎng)單位。

2.2 國(guó)外相關(guān)的主要標(biāo)準(zhǔn)化組織

IEC/TC 100/TA 15 Wireless Power Transfer（無線電能傳輸標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)），秘書處所在地為韓國(guó)。負(fù)責(zé)專業(yè)范圍為：開發(fā)有關(guān)多媒體系統(tǒng)和設(shè)備的無線功率傳輸（WPT），以及 WPT 發(fā)射和WPT 接收功能之間的互操作性的國(guó)際出版物；協(xié)調(diào) WPT 共同要素和 WPT 技術(shù)特定要素的標(biāo)準(zhǔn)框架；編寫 WPT 系統(tǒng)規(guī)范、要求、功能體系結(jié)構(gòu)、接口和相應(yīng)的服務(wù)，用于設(shè)備級(jí)和系統(tǒng)級(jí)操作的管理和電源控制協(xié)議，以及 WPT 設(shè)備和系統(tǒng)的功耗和能效的測(cè)量方法。

ISO/TC 22/SC 37 Electrically propelled vehicles（電力驅(qū)動(dòng)車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)），秘書處為 DIN （德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)），負(fù)責(zé)專業(yè)范圍為電動(dòng)道路車輛、電力推進(jìn)系統(tǒng)、相關(guān)部件及其車輛集成的特定方面。

IEC/TC 100 Audio,video and multimedia systems and equipment（音頻、視頻和多媒體系統(tǒng)和設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)），秘書處所在地為日本，負(fù)責(zé)編寫音頻、視頻和多媒體系統(tǒng)和設(shè)備領(lǐng)域的國(guó)際出版物，包括性能規(guī)范，消費(fèi)類和專業(yè)設(shè)備的測(cè)量方法及其在系統(tǒng)中的應(yīng)用，以及其與其他系統(tǒng)或設(shè)備的互操作性。

IEC/TC 106 Methods for the assessment of electric,magnetic and electromagnetic fields associated with human exposure（評(píng)估與人類暴露有關(guān)的電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)的方法標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)），秘書處所在地為德國(guó)。負(fù)責(zé)專業(yè)范圍為制定有關(guān)測(cè)量和計(jì)算方法的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，以評(píng)估人體在電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)中的暴露。任務(wù)包括表征人類暴露的電磁環(huán)境、測(cè)量方法，儀器和程序、計(jì)算方法、特定來源產(chǎn)生的暴露的評(píng)估方法（只要特定產(chǎn)品委員會(huì)未執(zhí)行此任務(wù)）、其他來源的基本標(biāo)準(zhǔn)、不確定性評(píng)估。

IEC/TC 69 Electrical power/energy transfer systems for electrically propelled road vehicles and industrial trucks（電動(dòng)道路車輛和工業(yè)卡車的電力/能量傳輸系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)），秘書處所在地為比利時(shí)。負(fù)責(zé)專業(yè)范圍為準(zhǔn)備有關(guān)電動(dòng)道路車輛和工業(yè)卡車（以下稱 EV）的電力/能量傳輸系統(tǒng)的出版物。該技術(shù)從可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)（RESS）汲取電流。 傳輸功率/能量的可能性包括導(dǎo)電功率/能量傳輸，無線電力/能量傳輸和電池交換。

無線充電聯(lián)盟（Wireless Power Consortium，WPC），成立于 2008 年，是首個(gè)以感應(yīng)無線電能傳輸技術(shù)為基礎(chǔ)的無線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化組織。2010年，WPC 發(fā)布了 Qi 標(biāo)準(zhǔn)，同年 9 月 Qi 標(biāo)準(zhǔn)被引入中國(guó)。至 2020 年，WPC 有來自國(guó)內(nèi)外行業(yè)各個(gè)細(xì)分市場(chǎng)的 464 個(gè)成員，包括蘋果、三星、微軟、LG 電子、飛利浦、諾基亞、索尼、華為、中興、小米、海爾等。

AirFuel 由無線電力聯(lián)盟（Alliance for Wireless Power，A4WP）與電源事業(yè)聯(lián)盟（Power Matters Alliance，PMA）在 2015 年合并而成，致力于整合磁共振與磁感應(yīng)技術(shù)，推動(dòng)統(tǒng)一的無線充電標(biāo)準(zhǔn)。支持該聯(lián)盟的成員超過 200 個(gè)，包括 Google、高通、三星、華為等。

3 結(jié)束語

無線電能傳輸技術(shù)作為一門新興、熱點(diǎn)技術(shù)，在研究和應(yīng)用上還處于持續(xù)發(fā)展時(shí)期，所以在技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)品應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)化方面會(huì)有很多工作要做。相信在科技人員的不懈努力下，無線電能傳輸技術(shù)將在移動(dòng)設(shè)備、電動(dòng)汽車、植入式醫(yī)療設(shè)備、家用電器等方面擁有廣闊的應(yīng)用前景。