無線充電最新技術應用及行業規范發展

王 玢，王祎冰

（國家無線電監測中心檢測中心，北京 100041）

0 引言

2009年，首款無線充電手機上市；2011年，脫離了5V1A有線慢充的手機也出現市場。隨后，每年都出現新技術，試圖革新手機充電體驗。直至2021年1月29日，小米和摩托羅拉兩家公司在同一天公布了“隔空充電”新技術，“無線充電”一詞再次成為人們熱議 的話題。近幾年來，無線充電技術在提高電能轉化率，以及降低輻射質量等方面，都實現了有效的突破，因此，該技術被成功應用于家電家居、航空、醫學、電動汽車等與人們生活息息相關的領域，隨著該技術逐步覆蓋更為廣闊的領域，加快研發全新形式的無線充電技術應用，同時建立標準的行業規范，成為下一階段行業發展的目標。

1 無線充電技術概念

無線充電技術（Wireless charging technology）是不以任何金屬導線或物理介質為載體，通過電磁感應、共振、射頻、激光發射、微波輻射等多元形式，基于空氣介質，實現電能傳輸的新型技術[1]。

2 無線充電技術的原理及最新應用

按無線充電技術的實現原理區分，無線充電包括兩大類，即電磁耦合無線充電和無線電波充電，其中電磁耦合無線充電又細分為電磁感應和電磁諧振無線充電；無線電波充電目前應用比較熱門的包括射頻（RF）、激光、紅外線等無線充電技術。

2.1 電磁耦合

圖1 電磁耦合無線充電工作示意

2.1.1 電磁感應無線充電

目前，我國市面上能夠支持無線充電的移動設備、耳機上使用的基本均為電磁式感應無線充電。這些設備會通過磁場的無線磁路代替有線電線，實現電力的傳輸。充電時，充電器和被充電設備都得有線圈，而且兩者的線圈必須對齊，并在極近的距離下（觸碰）才能正常工作。

2.1.2 電磁諧振無線充電

電磁諧振又被稱為磁共 振，無 線 充電也需要線圈，不過該技術的工作距離更遠（最遠25 cm左右）。電磁諧振無線充電比較受大型設備歡迎，比如汽車和工業機器人。

電磁諧振式無線電源充電控制系統的一般硬件框架結構設計如圖2所示，主要由無線發射端和無線接收器兩大部分組成。發射接收端由高頻諧振逆變組成電路、空心驅動線圈及高頻諧振驅動補償組成電路部分組成，其中高頻諧振逆變組成電路主要可以給空心線圈的高頻輸出輸入電壓直接提供高頻交變器的電壓：高頻接收端由空心驅動線圈及高頻諧振驅動補償組成電路，以及不帶負載的高頻整流器和濾波組成電路。

圖2 電磁諧振無線充電系統

從技術特性上來講，電磁諧振無線充電更有機會解決充電位置和同時充電設備數的問題，因為該技術對位置和距離要求更低。

全球范圍內，采用電磁諧振無線充電的市售車型有兩款，分別來自寶馬和邁凱輪。國內也已經在2020年5月發布了基于WiTricity公司電磁諧振技術的《電動汽車無線充電國家標準》。WiTricity公司的電磁諧振充電底座能夠在10-25 cm的距離內實現90%- 93%的端到端充電效率，充電功率達到11 kW以上。

電磁諧振無線充電底座可以穿過瀝青、水泥、冰和雪實現充電。也就是說，停車場不會有妨礙駕駛、凸出于地面的充電底座，甚至有廠商正在嘗試在路面下或半空中鋪設無線充電板（類似有軌電車），實現邊走邊充。

2.2 無線電波

2.2.1 射頻（RF）無線充電

射頻傳輸本身不是什么最新的技術，藍牙、Wi-Fi和對講機等無線產品都是基于射頻工作。射頻無線充電的原理是將無線信號轉換為電力，真正的難點在于提高轉換效率。

2021年1月29日，小米和摩托羅拉在同一天公布了“隔空充電”，它們都能讓手機在距充電器1 m或更遠的距離下實現“真”無線充電。根據小米官方介紹，小米隔空充電擁有17項技術專利，技術核心在于空間定位和隔空能量傳輸。自研的隔空充電樁內置5個相位干涉天線，可以對手機進行毫秒級空間定位，精準探測手機位置。144個天線構成的相位控制陣列，通過波束成形將毫米波定向發射給手機。在手機端內，有信標天線和小型接收天線陣列。信標天線通過低功耗方式在空間場內廣播位置信息，14根天線組成的接收天線陣列，將充電樁發射的毫米波信號，通過整流電路轉化為電能，實現隔空充電體驗。

2.2.2 激光無線充電

2020年9月，華為曾在國外的社交網絡媒體上公開發布過一則視頻，表示他們正在探索和研究一種新型激光充電解決方案。激光雖然方向性較好，但是能量很大。不過目前已經研發出可以吸收激光的“反激光器”，將其轉化為電能，并且為設備進行充電。如圖3所示。

圖3 實驗中對不同光束的吸收

搭載了反激光器的設備就可以吸收激光，轉換成電能。而且，這個反激光器在相對于能量的接收比上可以高達99.996%，即它所受到的干擾極其微小。

2.2.3 紅外線無線充電

2020年底，韓國世宗大學的一個研究開發小組再次對外正式宣布，他們已經自主開發成功了一種基于紅外線的遠距離無線充電技術，目前正在進行商業化開發。

紅外線無線充電的原理是：通過一個半導體激光子放大器來產生一條較高功率的紅外線，在經過一個稱為衍射式紅外光柵的部分，讓紅外線從其中分散了出來。而在手機等移動設備上，通過自行安裝一個帶有回射器的接收模組，達到了遠程無線充電的目標。如圖4所示。

圖4 紅外線無線充電系統

它本身看上去和目前激光無線充電的各種解決模式方案差不多，但是由于使用紅外線的一些特殊性質，也使得這項充電技術本身具有了一些致命的技術缺陷和一些弱點，即紅外線無線充電穿透性較低，不穩定。

3 關于無線充電設備標準的最新進展

長期以來，無線充電技術可謂是伴隨著種種的詬病。相對于有線充電而言，無線充電功率普遍較低，使得無線充電被貼上了雞肋的標簽。因此，為了擺脫這個標簽，充電效率也成為了廠商在無線充電方面爭相競速的焦點，短短兩年時間，無線充電功率從最早的5 W、7.5 W、10 W，發展到了如今30 W、50 W、67 W，甚至是80 W。然而，在這飛速發展的過程中，問題也頻頻出現。

2021年2月19日，工業和信息化部官網發布了《無線充電（電力傳輸）設備無線電管理暫行規定（征求意見稿）》（下稱“征求意見稿”）。征求意見稿中提到：自2022年1月1日所有生產、進口在國內銷銷售、使用的移動和便攜式無線充電設備額定傳輸功率要求小于50 W[2]。

按照征求意見稿，規定適用于移動、便攜式以及電動汽車（含摩托車）的無線設備，并要求移動和便攜式無線充電設備應當工作在100-148.5 kHz、6765-6795 kHz、13553-13567 kHz頻段，且額定傳輸功率不超過50 W，輻射參數應當滿足《無線充電（電力傳輸）設備技術要求》。額定傳輸功率大于22 kW但不超過120 kW的電動汽車（含摩托車）無線充電設備應當工作在19-21 kHz頻段，額定傳輸功率不超過22 kW的電動汽車（含摩托車）無線充電設備應當工作在79-90 kHz頻段。除了充電功率以外，還涉及頻段、輻射值、保護區域等多個維度。在輻射值方面，也作出多方面的限定，包括磁場強度發射限值、雜散輻射發射限值、接收阻塞限值等均有詳細規定。此次工信部的新規定，給了行業一個指導意見，在一定程度上填補了無線充電行業標準的空缺，能夠有效解決行業的種種問題。

4 結束語

隨著無線充電技術在更多領域與行業的滲透，該技術必將為我國社會和經濟發展帶來突破性的改變。但是從目前最新的技術標準和技術應用來看，無線充電技術領域還有許多問題，如輻射問題、標準統一化問題等有待解決，相關行業人員應加強該技術產品的性能，盡快遵循統一的行業規范和標準，解決新規下的新問題，保證無線充電技術迎來更為矚目的市場前景。