无线充电最新技术应用及行业规范发展

王 玢，王祎冰

（国家无线电监测中心检测中心，北京 100041）

0 引言

2009年，首款无线充电手机上市；2011年，脱离了5V1A有线慢充的手机也出现市场。随后，每年都出现新技术，试图革新手机充电体验。直至2021年1月29日，小米和摩托罗拉两家公司在同一天公布了“隔空充电”新技术，“无线充电”一词再次成为人们热议 的话题。近几年来，无线充电技术在提高电能转化率，以及降低辐射质量等方面，都实现了有效的突破，因此，该技术被成功应用于家电家居、航空、医学、电动汽车等与人们生活息息相关的领域，随着该技术逐步覆盖更为广阔的领域，加快研发全新形式的无线充电技术应用，同时建立标准的行业规范，成为下一阶段行业发展的目标。

1 无线充电技术概念

无线充电技术（Wireless charging technology）是不以任何金属导线或物理介质为载体，通过电磁感应、共振、射频、激光发射、微波辐射等多元形式，基于空气介质，实现电能传输的新型技术[1]。

2 无线充电技术的原理及最新应用

按无线充电技术的实现原理区分，无线充电包括两大类，即电磁耦合无线充电和无线电波充电，其中电磁耦合无线充电又细分为电磁感应和电磁谐振无线充电；无线电波充电目前应用比较热门的包括射频（RF）、激光、红外线等无线充电技术。

2.1 电磁耦合

图1 电磁耦合无线充电工作示意

2.1.1 电磁感应无线充电

目前，我国市面上能够支持无线充电的移动设备、耳机上使用的基本均为电磁式感应无线充电。这些设备会通过磁场的无线磁路代替有线电线，实现电力的传输。充电时，充电器和被充电设备都得有线圈，而且两者的线圈必须对齐，并在极近的距离下（触碰）才能正常工作。

2.1.2 电磁谐振无线充电

电磁谐振又被称为磁共 振，无 线 充电也需要线圈，不过该技术的工作距离更远（最远25 cm左右）。电磁谐振无线充电比较受大型设备欢迎，比如汽车和工业机器人。

电磁谐振式无线电源充电控制系统的一般硬件框架结构设计如图2所示，主要由无线发射端和无线接收器两大部分组成。发射接收端由高频谐振逆变组成电路、空心驱动线圈及高频谐振驱动补偿组成电路部分组成，其中高频谐振逆变组成电路主要可以给空心线圈的高频输出输入电压直接提供高频交变器的电压：高频接收端由空心驱动线圈及高频谐振驱动补偿组成电路，以及不带负载的高频整流器和滤波组成电路。

图2 电磁谐振无线充电系统

从技术特性上来讲，电磁谐振无线充电更有机会解决充电位置和同时充电设备数的问题，因为该技术对位置和距离要求更低。

全球范围内，采用电磁谐振无线充电的市售车型有两款，分别来自宝马和迈凯轮。国内也已经在2020年5月发布了基于WiTricity公司电磁谐振技术的《电动汽车无线充电国家标准》。WiTricity公司的电磁谐振充电底座能够在10-25 cm的距离内实现90%- 93%的端到端充电效率，充电功率达到11 kW以上。

电磁谐振无线充电底座可以穿过沥青、水泥、冰和雪实现充电。也就是说，停车场不会有妨碍驾驶、凸出于地面的充电底座，甚至有厂商正在尝试在路面下或半空中铺设无线充电板（类似有轨电车），实现边走边充。

2.2 无线电波

2.2.1 射频（RF）无线充电

射频传输本身不是什么最新的技术，蓝牙、Wi-Fi和对讲机等无线产品都是基于射频工作。射频无线充电的原理是将无线信号转换为电力，真正的难点在于提高转换效率。

2021年1月29日，小米和摩托罗拉在同一天公布了“隔空充电”，它们都能让手机在距充电器1 m或更远的距离下实现“真”无线充电。根据小米官方介绍，小米隔空充电拥有17项技术专利，技术核心在于空间定位和隔空能量传输。自研的隔空充电桩内置5个相位干涉天线，可以对手机进行毫秒级空间定位，精准探测手机位置。144个天线构成的相位控制阵列，通过波束成形将毫米波定向发射给手机。在手机端内，有信标天线和小型接收天线阵列。信标天线通过低功耗方式在空间场内广播位置信息，14根天线组成的接收天线阵列，将充电桩发射的毫米波信号，通过整流电路转化为电能，实现隔空充电体验。

2.2.2 激光无线充电

2020年9月，华为曾在国外的社交网络媒体上公开发布过一则视频，表示他们正在探索和研究一种新型激光充电解决方案。激光虽然方向性较好，但是能量很大。不过目前已经研发出可以吸收激光的“反激光器”，将其转化为电能，并且为设备进行充电。如图3所示。

图3 实验中对不同光束的吸收

搭载了反激光器的设备就可以吸收激光，转换成电能。而且，这个反激光器在相对于能量的接收比上可以高达99.996%，即它所受到的干扰极其微小。

2.2.3 红外线无线充电

2020年底，韩国世宗大学的一个研究开发小组再次对外正式宣布，他们已经自主开发成功了一种基于红外线的远距离无线充电技术，目前正在进行商业化开发。

红外线无线充电的原理是：通过一个半导体激光子放大器来产生一条较高功率的红外线，在经过一个称为衍射式红外光栅的部分，让红外线从其中分散了出来。而在手机等移动设备上，通过自行安装一个带有回射器的接收模组，达到了远程无线充电的目标。如图4所示。

图4 红外线无线充电系统

它本身看上去和目前激光无线充电的各种解决模式方案差不多，但是由于使用红外线的一些特殊性质，也使得这项充电技术本身具有了一些致命的技术缺陷和一些弱点，即红外线无线充电穿透性较低，不稳定。

3 关于无线充电设备标准的最新进展

长期以来，无线充电技术可谓是伴随着种种的诟病。相对于有线充电而言，无线充电功率普遍较低，使得无线充电被贴上了鸡肋的标签。因此，为了摆脱这个标签，充电效率也成为了厂商在无线充电方面争相竞速的焦点，短短两年时间，无线充电功率从最早的5 W、7.5 W、10 W，发展到了如今30 W、50 W、67 W，甚至是80 W。然而，在这飞速发展的过程中，问题也频频出现。

2021年2月19日，工业和信息化部官网发布了《无线充电（电力传输）设备无线电管理暂行规定（征求意见稿）》（下称“征求意见稿”）。征求意见稿中提到：自2022年1月1日所有生产、进口在国内销销售、使用的移动和便携式无线充电设备额定传输功率要求小于50 W[2]。

按照征求意见稿，规定适用于移动、便携式以及电动汽车（含摩托车）的无线设备，并要求移动和便携式无线充电设备应当工作在100-148.5 kHz、6765-6795 kHz、13553-13567 kHz频段，且额定传输功率不超过50 W，辐射参数应当满足《无线充电（电力传输）设备技术要求》。额定传输功率大于22 kW但不超过120 kW的电动汽车（含摩托车）无线充电设备应当工作在19-21 kHz频段，额定传输功率不超过22 kW的电动汽车（含摩托车）无线充电设备应当工作在79-90 kHz频段。除了充电功率以外，还涉及频段、辐射值、保护区域等多个维度。在辐射值方面，也作出多方面的限定，包括磁场强度发射限值、杂散辐射发射限值、接收阻塞限值等均有详细规定。此次工信部的新规定，给了行业一个指导意见，在一定程度上填补了无线充电行业标准的空缺，能够有效解决行业的种种问题。

4 结束语

随着无线充电技术在更多领域与行业的渗透，该技术必将为我国社会和经济发展带来突破性的改变。但是从目前最新的技术标准和技术应用来看，无线充电技术领域还有许多问题，如辐射问题、标准统一化问题等有待解决，相关行业人员应加强该技术产品的性能，尽快遵循统一的行业规范和标准，解决新规下的新问题，保证无线充电技术迎来更为瞩目的市场前景。