车载无线充电技术与标准化研究

2017-06-19 来源:中国信息通信研究院作者:王智玮 沈雅琴 我要评论(0) 字号:

1、引言

随着无线充电技术在便携式消费电子领域的广泛应用与车联网技术的快速发展,相应的推动了车载无线充电设备的广泛需求,汽车有望成为无线充电技术的下一波潜力应用。

当智能设备与汽车间的数据传输可以通过蓝牙,甚至NFC技术来完成时,有理由相信必须要通过数据线才能够为智能设备进行充电终将成为历史。随着汽车消费电子协会(CE4A)宣布未来将全面推广采用Qi无线充电技术标准,面向移动设备的车载无线充电技术也会成为未来的发展趋势。

2、车载无线充电技术

2.1、技术原理

无线电能传输(Wireless Power Transfer/Transmission,WPT),也称为“非接触式电能传输”,是一项让人充满期待和憧憬的应用型新技术,其具有无线科技的优越性和便利性,也许在不久的将来,占据空间各个角落的电线剪不断理还乱的情况将不复存在,而在公共基础设施中配备无线供/充电功能也将会有可能成为现实。当前,从技术原理上可以将无线供电技术划分为电磁感应式、磁谐振式与微波辐射式3类(见表1)。

表1、主流无线供电技术

电磁感应式无线供电技术最早发现于19世纪,基于法拉第电磁感应原理,通过磁通量的变化产生感应电动势,电流流过线圈时将产生磁场,此时将另一未通电的线圈(次级线圈)置入该磁场中,在该线圈中就会产生电流。典型的电磁感应式无线充电系统原理非常类似于使用铁(磁)心工作的传统变压器,通过利用一对线圈之间的电磁感应来实现充电,目前市场上的产品几乎均采用该技术原理。

磁谐振方式的工作原理使用一个线圈和电容组成谐振器,利用发射线圈和接收线圈之间的谐振来实现电能传输。即使在收发线圈之间的耦合效应很弱时,通过调整两个高Q值线圈的共振频率进行精确匹配,即可实现电能在两个线圈之间的远距离传输。因此,相对发送线圈的X-Y平面,接收线圈位置可以非常灵活。由于近场耦合方式的工作距离很近(一般小于1cm),近场感性耦合也称为紧耦合,磁场谐振式的工作距离相对较远也称为松耦合。

微波辐射式。通过辐射电磁波的形式在远场范围内采用定向天线实现远距离供电,该方式的发射部分主要将能量以电能功率转化为射频功率并以一种可控制和低损耗的方式将功率以微波的方式辐射出去,接收装置则利用整流天线把微波能量转变为直流或交流电能。目前,市场上已出现了能够为移动设备进行充电的微波式无线供电产品。这种技术方式更适合于长距离、大范围且不易受环境影响的电能传输,如传感器网络供电、低轨道卫星供电领域等。

2.2、技术论坛与组织

从2015年开始,越来越多在业界领先的汽车制造商已经尝试在自家的新车中集成无线充电系统,从而希望推动无线充电技术成为领先的汽车标配。但是,随着无线充电技术的大规模应用,一个统一兼容的无线供电技术标准无疑能够加速该技术的大规模应用。当前,无线供电技术共有两个比较成熟的产业联盟标准,分别是Qi标准与AirFuel技术标准;其中,AirFuel联盟由Power Matters Alliance(PMA)协会与Alliance for Wireless Power(A4WP)联盟合并而成。目前,上述技术规范尚不能完全兼容,但从各个组织目前的技术演进路线来看,无线充电下一步的发展趋势是大功率、远距离无线充电。表2就各个联盟的发展情况和技术特征进行了简要介绍。

表2、不同联盟技术标准间的比较

注:由于A4WP与PMA合并后各自的技术规范还在独立演进,故单独列出介绍。

无线充电联盟(WPC)是最早建立的无线充电技术标准化组织,也是目前世界上最大的无线充电技术联盟,由飞利浦、Fulton、Convenient Power等公司共同发起成立,重点开发紧耦合电磁感应技术规范,推出了“Qi”产品标准。根据不同的产品应用,WPC先后发布了适用于智能设备的5W与15W技术规范,并且同时为电动工具、厨房电器等设备开发了功率等级在数十瓦至上千瓦的大功率无线充电技术标准。为了保证传输效率,Qi 规范中专门规定了相对发射机的接收线圈的放置。由于导体材料在发送线圈和接收线圈之间的电磁场中会存在温升效应,出于安全考虑,WPC在规范中也增加了异物检测(Foreign Object Detection,FOD)的认证要求。

PMA(Power Matters Alliance)于2012年3月由Powermat、Google、AT&T、Starbucks等公司成立,主要关注公用服务的应用接口标准,致力于为符合IEEE协会标准的手机和电子设备,打造无线供电标准,其工作频率为277~357 kHz。PMA标准可以通过两种方案来实现无线充电,一种是透过内建无线充电芯片,另一种则是采用一种叫做WiCC无线充电卡,使用时只需要安装在移动设备的电池上即可;同时,WiCC卡也可以作为NFC(近场通讯)天线使用。

A4WP(Alliance for Wireless Power)于2012年成立,由Qualcomm、Samsung等公司成立,主要聚焦于松耦合的电磁感应技术;其产品使用6.78MHz用于无线电能的传输,而发射端与接收端的信令控制则使用2.45GHz的低功耗蓝牙技术。A4WP标准能够支持发送线圈同时为多台设备充电,其有效充电范围变大,被充电设备摆放位置相对自由。A4WP关注不同系统间的互操作性,采用公共信道机制,可以用一个电源向多个设备供电,目前更多地关注于移动电话的无线充电,今后将会关注更多应用场景。

两大联盟已于2015年6月正式宣布合并,将重点开发基于感应、共振以及多模的无线充电标准。

3、无线供电技术的标准化研究

目前,国内外不同的标准化协会都在加快推进无线充电技术与法规标准的制定工作。

国际上,消费电子协会(CEA)在便携终端及车载电子技术标准化委员会的主导下,成立了推动该项技术标准化的“R6.3 Wireless Power Subcommittee”分委员会,设立了5个标准化工作组,发布了CEA-2042.1标准规范要求。日本宽带无线论坛(BWF)专门设立了“WPT标准开发委员会”,面向50W以下的产品制定“无线电力传输技术指南”。国际电工委员会(IEC)与国际标准化组织(ISO)的共同工作组也在积极推进汽车领域的无线充电技术标准化工作,最终的国际标准预计将于2017年前后发布。

从国内发展情况来看,2011年,中国通信标准化协会(CCSA)便正式启动了有关无线充电技术与标准的研究,其《近场无线充电技术研究》已经报批;同时,还完成了《无线电源设备电磁兼容性要求和测试方法》和《短距离及类似设备电磁照射符合性要求(10Hz~30MHz)》两项行业标准的报批工作。与此同时,标准化组织间的联合标准化活动也对无线供电技术显示了很高的关注度,中日韩标准化协调组织(CJK)也在WPT技术标准化方面起到了很大的推动作用。表3总结了目前全球WPT技术标准化组织的主要概况。

表3、国际标准化工作概况

除了满足WPT设备技术标准外,目前不同国家地区针对WPT设备的法律法规要求也不尽然相同。欧美国家目前主要基于现有法规框架,根据无线电源设备的不同构成部分和工作频段对其进行管理,大致的思路是将无线能量传输部分的功能参照工科医(ISM)设备进行EMC及安全方面的核准,同时将其通信功能部分按照无线电设备的要求进行管理。表4对不同国家地区的监管要求做了梳理总结。

表4、WPT设备相关认证标准

对于无线充电设备的认证要求,除了上述提到的之外,还有涉及ROHS、能效、标识等普通车载电子产品所需要适用的其他法规类要求。

4、结束语

随着车载无线充电技术越来越成熟,移动设备制造商、电源设备供应商以及汽车零部件供应商都纷纷加快了进军车载无线充电技术领域的步伐,期望通过无线充电技术来解决一直困扰移动设备在车内的充电问题,虽然暂时还受制于车内空间仅支持一对一的充电操作,但是基于电磁感应技术的无线充电产品已经通过了市场的检验,为人们带来了更加便捷的驾驶体验。

受益于汽车产业的推动与车载无线充电技术的技术标准的统一,目前无线充电产品已向着汽车系统级整合配件方向发展,我们也期待无线充电系统将来也会和现有的车载技术一样成为车载信息娱乐系统的标准装备。

车载无线充电产品在市场上已如雨后春笋般出现,我国的相关部门也在加紧研究无线充电设备的法律法规要求与监管政策。监管政策的及时出台将会对产品的应用和技术发展起到积极作用。本文所研究国际标准化趋势与监管要求,亦可为相关的研究提供参考。

参考文献

[1] 王洪博,朱轶智. 无线供电技术的发展和应用前景[J]. 电信技术,2010.09.
[2] 杨军, 朱亮. 无线电源设备的法规认证要求[J]. 现代电信科技, 2014.
[3] Kamil A. Grajski, Ryan Tseng and Chuck Wheatley. IEEE IMS 2012: Loosely-Coupled Wireless Power Transfer: Physics, Circuits, Standards.

作者简介

王智玮:中国信息通信研究院泰尔终端实验室工程师,主要从事近场通信、无线供电、移动支付等领域的研究工作。
沈雅琴:中国信息通信研究院泰尔终端实验室副总工程师,主要从事移动通信,电磁兼容等领域的研究工作。
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