无线供电技术初探

厦门理工学院电子信息工程系 余长青

无线供电技术初探

厦门理工学院电子信息工程系 余长青

本文介绍了无线供电技术的发展和现状，分析了电磁辐射式、电磁谐振式、电磁感应式三种无线供电技术，指出了各自的特点和适用范围，最后介绍了无线充电的标准及其发展变化。

无线供电；电磁辐射式；电磁谐振式；电磁感应式；WPC；PMA；A4WP

0 引言

随着越来越多的便携式电子产品和可穿戴设备进入生活，现代人也越来越离不开它们，给这些设备充电成了生活中的常事，如何方便快捷地为这些电子设备提供充足的电能成为研究的热点。当Wi-Fi、蓝牙取代了网线和数据线，人们也想把电源线扔掉，无线供电技术的兴起让我们梦想成真。无线供电又称为非接触式供电，是通过电磁感应耦合将电能以无线的方式传输给负载，它无需任何物理上的连接，避免了摩擦，消除了触电的危险，这种非接触式供电技术有着广泛的应用前景。

1 无线供电技术的发展历程

Nicola Tesla是19世纪末伟大的科学家和电气工程师，他在电气技术上作出的非凡贡献推动了社会的进步和发展。早在1890年他就做过无线供电的实验，是最早进行无线供电实验的人。进入21世纪，便携式电子产品大量涌现，随着微机电系统、电力电子技术和高频电源技术的发展，有力的推动了无线供电技术的发展，目前已有多家厂商和研究机构相继开发和生产出多个非接触供电系统和产品。

2001年5月法国科学家使用微波无线供电技术，成功点亮了40m之外200W的灯泡。两年后建造的另一个微波输电装置，以2.45GHz频率传输10kW电能，可以对1km外的村庄进行单一无线电能传输。

2005年，中国香港许树源教授成功研制了一个平台对电池进行充电，但是它充电时需要将产品与充电器接触。后来其它厂商开发的手机无线充电产品大多也都是要把手机放在充电板上。

2007年6月，麻省理工大学的Marin Soljacic和他的研究团队做了一个演示，他们给一个半径为30cm的线圈通电，利用磁耦合共振原理，成功点亮了1.9m之外连接在另一个线圈上的60瓦W灯泡。2010年1月在第四十三届国际消费类电子产品展览会（CES）上，海尔展示了全球首台“无尾”电视机，使用的正是Marin团队创办的企业WiTricity研制的无线供电系统，它可以将100W的电力传输到距离1m的电视机处。

2008年9月北美电力研讨会在其发表的论文中表示在实验中已可以让800W的电力以无线的形式传输到5m远的地方。

2009年10月日本奈良市给混合动力巴士进行无线充电试验，他们先在作为充电平台的混凝土中埋入发射线圈，然后把车开到平台上并使接收线圈和发射线圈对准进行充电。2009年11月，长野日本无线展出面向电动汽车及便携终端等开发出的无线供电系统，传输距离40cm时，传输效率高达95%。村田制作所也宣布开发出了 “LXWS系列”无线供电系统，2010年秋季开始量产模块。索尼也试制了没有电源线驱动电视机等电子产品的“无线供电系统”，通过磁共振传输电能，可向距离50—80cm的电子产品传输60W的电力。

2 无线供电技术的最新发展

无线供电的产品在几年前就开始进入了市场，人们比较了解的可能就要数Android和iPhone的无线充电器了。2012年9月诺基亚在纽约发布会上就展示了把手机随意放上充电垫一边听歌一边充电的场景。

2013年11月美国汽车工程师协会宣布就电动汽车无线供电使用85kHz频带达成协议。此前，无线供电频带的争论一直是其实用化进程的障碍。

2014年第三届世界无线电力传输行业峰会上，业内人士对无线供电标准，以及如何扩大传输距离、增大传输功率、提高传输效率等问题进行讨论，取得了圆满的成功。

2014年Energous发布突破性无线充电装置WattUp，该技术基于Rezence标准，支持约4.6米的无线充电。在2015年国际消费类电子产品展览会上Energous展示的WattUp无线供电技术获得了CES2015最佳智能家居产品、最佳创新产品奖。WattUp是一种具有蓝牙和射频（RF）功能的发射器，使用Wi-Fi频段向电子设备提供电力，且只需要10W或更少的功率。信号转换模式就像Wi-Fi：通过射频电磁波（RF）信号向支持WattUp的电子设备发送能量，每台WattUp发射器理论上可支持最高12台接收设备。

Energous公司称，WattUp技术可以被大量应用到日常生活中，能够给任何使用电池供电的10W以下的设备充电。目前兼容的设备多种多样，包括手机、平板电脑、蓝牙耳机、智能手表、电子阅读器、遥控器、时钟、电子玩具、照相机、摄像机、监控摄像头、电脑鼠标和键盘、电动剃须刀等，只要设置一定数量的充电站即可，每一设备都可以通过管理软件进行控制，可以检测在充电站发射装置3m范围内是否存在无线充电设备，只要启动程序即可进行充电。在家、办公室以及机场等公共场所都十分适用，是无线充电技术的一大进步。

目前，Energous已与包括知名厂商Dialog在内的多个合作伙伴共拓WattUp无线充电技术市场。事实上，在2014年该公司就与海尔签订合作协议，将在电视、冰箱、洗衣机等设备中集成WattUp无线发射器技术，使得这些大家电将可以为手机、平板等小型电子设备无线充电。

在2015年CES展上，英特尔推出的无线充电碗可以同时对放置于碗内的多个耳机进行无线充电，同样吸引了很多眼球。

2015年半导体制造商ROHM面向智能手机和平板电脑等移动设备，开发出无线供电控制IC“BD57015GWL”（接收端/终端）和“BD57020MWV”（发射端/充电端）。这两种产品均为业界首发，是符合WPC最新Qi标准中等功率规格的芯片组，可在平板电脑等10W级应用中实现无线供电。另外，BD57015GWL还支持PMA标准，实现了可自动切换WPC（10W）和PMA（5W）的双模充电。

概念变成商品，无线供电从梦想步入现实，未来几年在电动汽车、移动电话、电视、电脑等领域将会有一场新的变革。无线供电技术具有十分广阔的市场，市场研究机构Marketsand Markets的报告指出，2011年无线供电产品的市场份额只有4.57亿美元，预计到2017年就可能会形成70亿美元的巨大市场。

3 三种无线供电技术

无线供电技术分为电磁辐射式无线供电技术（electromagnetic radiation wireless power supply）、电磁谐振式无线供电技术（electromagnetic resonance wireless power supply）和电磁感应式无线供电技术（electromagnetic induction wireless power supply）。电磁辐射式可用于远距离电能输送；电磁谐振式适用于中等距离电能传输；电磁感应式可用于近距离电能传输。

电磁辐射式无线供电技术由美国Power Cast公司开发，它以微波束代替输电线用微波传输电能，整个系统包括发射模块Power Caster和接收模块Power Harvester两部分组成，但是发射器和接收器必须对准，且不能绕过障碍物，是点对点的传输方式。因为微波辐射对生物体有害，所以一般应用于卫星等高空科技领域。

电磁感应式无线供电技术利用电磁感应原理，类似于变压器，它把传统变压器的初、次级分开，利用感应耦合传输电能。这种技术可靠性高、柔性好、多功能性好，无接触、无磨损，还能兼顾信息传输，是目前较为成熟和普遍的方式。

电磁谐振式（也称为磁共振式）无线供电技术为麻省理工学院的Marin团队发明，它采用非辐射式磁耦合技术，利用的是非辐射的磁近场，基于电磁感应原理，又融合了谐振技术。当接收天线的固有频率和发射端的电磁场频率一致时，就会产生共振，无线传输效率较高，并且这种方式对人体没有危害。

电磁感应式和电磁谐振式都是非辐射式电能传输，但是两者又有区别，以智能手机应用为例，磁感应技术是将两个充电线圈分别放在充电板和手机后盖上，通过电磁耦合的形式实现能量的传递；磁共振技术则是通过电磁谐振的方式，在充电器与设备之间的空气中传输电能。

电磁感应式传输效率能达到80%，但是其传输距离仅几毫米；电磁辐射式最大传输距离可达10米，但其传输功率只有毫瓦级，且效率低；以上两种无法兼顾传输效率、传输功率和传输距离，与之相比，电磁谐振式理论上传输距离能达到5米，效率能达到40%以上，传输功率能达到几十瓦，因此应用范围更广泛，在手机、笔记本、平板和电动汽车等方面有很好的应用前景。

4 无线充电的标准及其发展

随着便携式电子产品和可穿戴设备的大量使用，实现无线充电已经是一个现实的目标。3年前，诺基亚就已推出搭载无线充电功能的手机。随着WPC、PMA和A4WP为首的旨在普及无线供电的标准团体成立并制定成国际标准，无线供电技术以欧美为中心开始逐渐在智能手机和一些基础设施中得以应用。然而，本该一炮打红的无线充电至今并没有实现大规模普及应用，工信部泰尔实验室主任何桂立认为：“这跟多个无线充电标准的存在有一定关系。标准不同，设备之间无法通用，市场自然也会混乱。”从一开始，无线充电标准格局就呈现三足鼎立的局面，技术的实现需要硬件支持，厂商不可能为每一个标准生产一套相应的设备，结果就是无线充电技术无法实现商业化普及。市场调研公司IHS预计，2018年全球无线充电市场规模将达到85亿美元，2019年将冲破100亿美元大关。但是，由于三大行业组织相互竞争，已严重影响了无线充电的普及。

当前无线充电市场共有三大行业组织，他们是WPC、PMA和A4WP。2008年成立的无线充电联盟Wireless Power Consortium（WPC）是三个联盟中成立最早的，所推行的无线充电标准为“Qi”。Qi有超过5000万个安装基地，认证过684个产品，其阵营支持者最多，包括诺基亚、飞利浦等国际知名厂商，处于商用的领跑地位。Qi的无线充电方案已经安装在包括三星、诺基亚、谷歌、中兴品牌在内的超过72款移动设备里,还支持了15款已上市车型。Qi的身影也开始在一些公共场所出现，阿姆斯特丹的德勤办公大楼里，每个工作区的桌子上都安装了Qi。2015年1月，麦当劳宣布要在英国50个门店中，增加采用Qi标准的600个无线充电热点。

电力事业联盟PMA（Power Matters Alliance）是在北美市场发展的无线供电标准团体，由于主要成员是杜邦、星巴克、AT&T、宝洁等，PMA过去更偏向咖啡桌、家具等设备。星巴克正在美国旧金山附近的200家店面、1500个点，尝试提供无线充电服务。

无线电力联盟A4WP（Alliance for Wireless Power) 主要支持者包括英特尔、高通和三星，技术路线与前两者不同。为区别于WPC和PMA，高通推动A4WP推出了电力传输功率达50W、支持多个设备同时充电、可穿透衣物和其他材料的Rezence标准，号称实现“空间自由”和“随放随走”。在2015年CES展上，Energous公司展出的WattUp无线电源发射器和英特尔推出的无线充电碗，都是基于Rezence标准之上。随着A4WP和PMA的合并成为现实，随着高通和英特尔的强势推动，也许Rezence标准会后来居上。

三足鼎立的原因是无线充电技术的不同，A4WP采用的是磁共振技术，WPC和PMA采用的是磁感应技术。磁感应技术相对比较成熟，但应用场景受限，WPC的Qi标准过去只能实现一对一的充电，并且和PMA的标准一样，都必须将充电设备以精准的方式放置在充电板上。磁共振技术比较新，还未成熟，但是它未来应用的场景更广泛，未来主流的技术应该是磁共振技术。IHS的调查报告指出，磁感应与磁共振无线充电的市场成长曲线将在2016年迎来交叉点，即磁共振方案会取代磁感应成为主流。相信磁共振技术演进到一定程度，几个标准必然会最终统一。

2014年PMA和A4WP达成协议，双方合二为一，合并后的联盟名为AirFuel Alliance。旨在通过双方的合并，统一无线充电标准，并合力建构完善的生态系统，推动无线充电在消费电子设备市场的快速普及。WPC也意识到磁共振的重要性，2014年7月31日，WPC宣布在Qi 1.2版本中加入磁共振技术，实现了一对多的充电，充电距离增加到45mm，充电功率增加到2000W，同时也兼容了原本只搭载磁感应Qi标准的产品。面对PMA和A4WP合并，WPC准备向中功率和磁共振发展，并发布Qi磁共振无线充电技术规范。

事实上，在过去的几年中，许多厂商都出现了同时加入多个阵营的情况。Qi标准创始成员之一的三星，与高通携手成立A4WP联盟；而高通既是A4WP创始会员，又是WPC董事会成员及PMA的资深领导会员，脚踏三只船，在三大联盟中均处于核心地位。在市场这只巨大推手的作用下无线供电技术和标准在不断演变和融合，两种技术、不同联盟的成员正在变得越来越相同,标准的统一也许就要到来。

5 小结

无线供电技术正成为国内外厂商和科研机构研究的热点和重点，随着相关技术的发展，随着标准的逐渐统一，随着新器件的不断推出。在巨大的市场需求推动下，无线供电技术必将迅速发展，应用前景非常广阔。也许在不久的将来，无线供电将不再是只能供电或充电的装置，同时又可以做到资料传送和数据同步。

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余长青（1972—），男，贵州三都人，大学本科，厦门理工学院电子信息工程系副教授。

项目名称：无线供电技术应用及其电磁兼容性研究。