無線充電技術的發(fā)展歷路

摘要：本文介紹了近場充電和遠場充電的技術原理，并提出了無線充電的注意事項。

　　Pike Research預測，移動設備的數量將從2012年的374萬部增長到2016年的276.3萬部。智能手機制造商早在2013年就開始在其智能手機中集成無線充電功能。移動設備的無線充電功能有望像WiFi和藍牙一樣普及。

　　2015年6月，無線充電聯盟(Alliance for Wireless Power,A4WP)和電源事務聯盟(Power Matters Alliance，PMA)合并，組成AirFuel聯盟(AirFuel Alliance)。這一合并舉措加速了未來愿景的實現：消費者無論到何處，設備充電將具有互操作性和便利性。人們正在嘗試各種不同的技術。

近場感應充電

　　尼古拉?特斯拉早在19世紀80年代證明了通過振蕩磁場傳遞能量，從而可以通過近場或磁共振充電，如圖1所示。

　　從發(fā)射器傳遞到接收器的電流和電壓必須是交流的。通過將交流電網電壓進行降壓并轉換為直流，為發(fā)射器的驅動器和控制器電路提供偏置。驅動器和控制器產生開關信號，并可調節(jié)開關頻率，將直流電轉變?yōu)榻涣麟?，輸入到原邊線圈。在接收器側，對交流信號進行整流，然后通過同步轉換進行調節(jié)，用于對電池充電。根據接收器所需的功率大小，線圈中的頻率發(fā)生變化。通信信號疊加在功率信號上，所以兩者均知道設備已經放在了充電墊上。感應充電效率較高，但對于線圈是否對準非常敏感。需要將耦合線圈調節(jié)到略微偏離諧振頻率，以優(yōu)化功率傳輸。 近場感應充電系統(tǒng)如圖2所示。

近場共振充電

　　共振充電是另一種近場充電形式，與電磁場工作原理相同，但需要共振器前端。該標準由AirFuel Resonant主導，允許發(fā)射器和接收器之間的距離較短。單個6.78 MHz發(fā)射器可支持多個接收器，無需物理對準。然而，接收器和發(fā)射器之間要求嚴格的頻率匹配，從而在特定線圈尺寸下最大程度地延長功率傳輸距離。隨著連接設備數量增多和距離延長，傳輸功率將會下降。該標準要求發(fā)射器和每個接收器之間具有獨立的雙向通信通道(藍牙)。

　　近場充電標準之一是無線充電共同體(Wireless Power Consortium，WPC)制定的Qi，該共同體包括200多家公司。AirFuel Inductive則是另一種標準，而Powermat是橋接技術的很好例子，該技術提供通用環(huán)，可以配合充電墊使用，為便攜設備充電。由于存在兩種標準，通用汽車(GM)公司宣布其汽車將同時支持AirFuel Inductive和Qi標準。三星公司也決定其手機將支持兩種標準[2]。 近場充電標準相關技術指標比較如表1所示。

遠場充電——系統(tǒng)概覽

　　無論感應充電還是共振充電都對發(fā)射器和接收器之間的距離有要求。在遠場充電中，能量需要從功率集線器傳遞至特定設備。藍牙、WiFi、超聲波和紅外線等都曾經被探索使用過。

　　基于射頻(RF)的系統(tǒng)(例如WattUpTM和CotaTM)使用一個或多個天線廣播能量并進行通信。2015年10月，Energous公司宣布可提供首款射頻功率接收器IC，該器件將射頻整流為直流信號。該整合技術——CotaTM，實際上使用現有的WiFi和藍牙天線實現數據通信和無線功率接收，然后將這些微信號增加到電池的充電電流。以無線方式將接收設備的應答以及特定電池充電特征數據傳輸回電源路由器。建立了持續(xù)鏈路后，電源路由器將向接收器位置發(fā)射能量束。

　　以uBeam為代表的超聲系統(tǒng)中，路由器中的信號發(fā)生器產生電信號，發(fā)送到放大器。然后將經過放大的信號連接至變送器，產生超聲波，經過聚焦并發(fā)送到接收器。超聲波對壓電傳感器施加應力，從而產生充電電流，如圖5所示。系統(tǒng)兩側使用的傳感器需要支持高效率和高功率。

　　另一家創(chuàng)業(yè)公司，Wi-Charge，專注于將視線光轉換為能量。發(fā)射器使用激光二極管向接收器準確傳輸紅外束。然后接收器中的光伏電池將光轉換回電能。該公司于2015年2月在舊金山對系統(tǒng)進行了功能演示^[3]。紅外技術的一項明顯優(yōu)勢是無EMI輻射。

設計注意事項

　　1. 移動性

　　定位和跟蹤多個移動接收器的能力對于無線充電至關重要。近場充電中，發(fā)射器和接收器的相對位置不變，而在遠場充電中，用戶可能不斷移動。用戶應該在不丟失信號的情況下漫游。

　　2. 安全性

　　射頻(RF)安全性取決于在不損害人類健康的情況下可施加的照射量。吸收率(SAR)用來定義這些限值。消費類產品的安全性遠比通過安全規(guī)范本身重要得多，它關乎建立消費者的安全感和信任，不容許一次差勁的用戶體驗。同時，超聲的安全性可能是消費者非常關心的問題，他們會感覺房間內充滿射線。一種擔心是超聲是否會影響動物。采用即使動物也不敏感的較高工作頻率，可能會解決這一問題。

　　3. 系統(tǒng)干擾

　　無線充電系統(tǒng)基于高頻開關信號，必須預測噪聲源，包括充電系統(tǒng)的輸入和輸出側。

　　4. 成本

　　需要考慮的兩項成本因素是電源成本和傳輸效率。

　　5. 耗盡電池充電

　　無線充電器能夠對完全耗盡的電池進行充電嗎?遠場充電系統(tǒng)面臨著近場充電不存在的一個難題：接收側的控制電路需要上電才能連接到電源路由器。

　　6. 生態(tài)系統(tǒng)和基礎設施

　　移動設備從不斷電的愿望是可以實現的，但成功之路要靠多種實體之間的協作來鋪設。

總結

　　根據調研機構IHS在2014年的數據，70%的消費者每天至少為一個設備充電一次。設備不僅應該支持無線充電技術，而且應該有足夠的熱點供其充電。一旦基礎設施部署到位，其普及將會水到渠成。從尼古拉?特斯拉首次傳輸電力至今已經超過100年，但我們依然遠遠未釋放能量轉換的全部潛力。我們的電子設備需要足夠智能，實現自身充電。

參考文獻：

　　[1]“System Description Wireless Power Transfer, Vol. 1, Part 1” Version 1.0 Wireless Power Consortium

　　http://www.wirelesspowerconsortium.com/

　　[2]“Dual wireless charging on the Samsung Galaxy S6, and why it matters” http://www.androidcentral.com/dual-wireless-charging-samsung-galaxy-s6-and-why-it-matters

　　[3]“Charge all your devices at once, using infrared light (hands-on)” http://www.cnet.com/news/wi-charge-willcharge-all-your-devices-at-once-using-infrared-light-hands-on/

　　[4] Product Overview

　　http://www.energous.com

　　[5]“Cota System Transmits Power Wirelessly at Up To 30 Feet”

　　http://www.gizmag.com/cota-ossia-wireless-charging-microwave-phased-array/29217/

　　[6]“uBeam Finally Reveals The Secret Of How Its Wireless Charging Phone Case Works Safely” http://techcrunch.com/2015/10/08/how-ubeam-works/

　　[7]“Wi-Charge FAQs”

　　http://www.wi-charge.com/technology.php?ID=29

　　[8]“Charging the iPhone 6 costs just 47 cents a year” http://money.cnn.com/2014/09/25/technology/mobile/iphone-6-charger/

　　[9]“Average Household and the Number of Batteries”

http://blog.batterysharks.com/average-household-and-the-number-of-batteries/

本文來源于中國科技期刊《電子產品世界》2016年第6期第28頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。