电动汽车无线充电系统的设计（车载无线充电技术与标准化研究）

:31020简介

随着无线充电技术在便携式消费电子领域的广泛应用和车联网技术的快速发展，对车载无线充电设备的需求也相应提升，汽车有望成为无线充电技术的下一个潜在应用。

当智能设备与汽车之间的数据传输可以通过蓝牙甚至NFC技术完成时，有理由相信智能设备通过数据线充电终将成为历史。随着消费电子协会(CE4A)宣布未来将广泛采用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将成为未来的发展趋势。

2、车辆无线充电技术

2.1、技术原理

无线电力传输(无线电力传输，WPT)，也称为无接触电力传输，是一项面向应用的新技术，让人憧憬和期待。它具有无线技术的优点和便利性。或许在不久的将来，空间每个角落的电线都被剪得乱七八糟的情况将不复存在，为公共基础设施配备无线供电/充电功能将成为可能。目前，从技术原理上，无线供电技术可分为电磁感应式、磁共振式和微波辐射式(见表1)。

表1、主流无线电源技术

电磁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，感应电动势是由磁通量的变化产生的。当电流流过线圈时，就会产生磁场。此时，另一个未通电的线圈(次级线圈)会被置于这个磁场中，这个线圈中会产生电流。典型的电磁感应无线充电系统的原理与传统的以铁(磁)芯工作的变压器非常相似，利用一对线圈之间的电磁感应来实现充电。目前市面上几乎所有的产品都采用这种技术原理。

磁共振模式的工作原理是利用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功率传输。即使发射线圈和接收线圈之间的耦合效应很弱，通过调节两个高Q值线圈的谐振频率使其精确匹配，也可以实现电能在两个线圈之间的长距离传输。因此，接收线圈的位置相对于发射线圈的X-Y平面可以非常灵活。因为近场耦合模式的工作距离很近(一般小于1cm)，所以近场电感耦合也叫紧耦合，磁共振模式的工作距离相对较长也叫松耦合。

微波辐射型。在远场范围内利用定向天线以辐射电磁波的形式实现远距离供电。这种模式的发射部分主要是将能量转化为射频功率，以可控、低损耗的方式辐射出去。接收装置使用整流天线将微波能量转换成DC或交流电能。目前市场上已经出现了可以给移动设备充电的微波无线电源产品。该技术更适用于远距离、大范围的不易受环境影响的电力传输，如传感器网络供电、低轨卫星供电等。

2.技术论坛和组织

自2015年以来，越来越多的行业领先汽车制造商试图在新车中集成无线充电系统，希望推动无线充电技术成为领先的汽车标准。然而，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可以加速这一技术的大规模应用。目前无线供电技术有两个成熟的产业联盟标准，分别是Qi标准和AirFuel技术标准；空中燃料联盟由电力事务联盟(PMA)和无线电力联盟(A4WP)合并而成。目前，上述技术规范

注：由于A4WP和PMA的技术规范在合并后仍在独立发展，因此它们被分开列出。

无线电源联盟(WPC)是最早成立的无线充电技术标准化组织，也是目前全球最大的无线充电技术联盟。它是由飞利浦、富尔顿、便捷电源等公司联合发起的，专注于开发紧耦合电磁感应技术规范，并推出齐产品标准。根据不同的产品应用，WPC先后发布了智能设备5W和15W技术规范，同时针对电动工具、厨房电器等设备制定了功率等级从几十瓦到几千瓦的大功率无线充电技术标准。为了确保传输效率，Qi规范特别规定了接收线圈相对于发射器的放置。由于发射线圈和接收线圈之间的电磁场中导体材料的温升效应，WPC出于安全考虑还在规范中增加了异物检测(FOD)的认证要求。

PMA(Power mat Alliance)由Powermat、谷歌、ATT、星巴克等公司于2012年3月成立。它主要关注公共服务的应用接口标准，致力于创建符合IEEE标准的手机和电子设备的无线电源标准。其工作频率为277~357 kHz。PMA标准可以通过两种方案实现无线充电，一种是通过内置的无线充电芯片，另一种是名为WiCC的无线充电卡，只需要安装在移动设备的电池上即可。同时，WiCC卡还可以作为NFC(近场通信)天线使用。

A4WP(Alliance for Wireless Power)由高通、三星等公司于2012年成立，专注于松散耦合电磁感应技术；该产品使用6.78MHz进行无线电能量的传输，而发射器和接收器之间的信令控制使用2.45GHz低功耗蓝牙技术。A4WP标准可以支持发送线圈同时给多个设备充电，其有效充电范围变大，被充电设备的放置位置相对自由。A4WP注重不同系统之间的互操作性，采用公共通道机制，可以用一个电源给多个设备供电。目前比较关注手机无线充电，未来会更加关注更多的应用场景。

两大联盟于2015年6月正式宣布合并，将专注于开发基于感应、共振和多模的无线充电标准。

3、无线供电技术标准化研究

目前，国内外不同的标准化协会正在加速制定无线充电技术和法规标准。

在国际上，消费电子协会(CEA)在便携式终端和车载电子技术标准化委员会的领导下，成立了R6.3无线电源小组委员会为推动这项技术的标准化，成立了五个标准化工作组，并发布了CEA-2042.1标准规范要求。日本宽带无线论坛(BWF)专门成立了WPT标准发展委员会制定无线电力传输技术指南对于50W以下的产品。国际电工委员会(IEC)和国际标准化组织(ISO)的联合工作组也在积极推动汽车领域无线充电技术的标准化。最终的国际标准预计将于2017年左右发布。

从国内发展来看，2011年，中国通信标准化协会(CCSA)正式启动无线充电技术和标准的研究，其《近场无线充电技术研究》已报批；同时报批了《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）》两个行业标准。同时，标准化组织之间的联合标准化活动也对无线供电技术表现出了极大的关注，中日韩标准化协调组织(CJK)也对WPT技术标准化起到了很大的推动作用。表3总结了当前全球WPT技术标准化组织的主要概况。

表：国际标准化工作概述

除了满足WPT设备的技术标准外，目前不同国家和地区的法律法规对WPT设备的要求也不尽相同。目前，欧美国家主要是在现有法律框架的基础上，根据无线供电设备的不同组件和工作频段对其进行管理。总的思路是，无线能量传输部分的功能要参照ISM设备从电磁兼容和安全方面进行审批，通信功能部分要按照无线设备的要求进行管理。表4总结了不同国家和地区的监管要求。

表4、WPT设备相关认证标准

对于无线充电设备的认证要求，除了上述提到的要求外，还有其他与ROHS、能效、标识等常见车载电子产品相关的监管要求。

结论

随着车载无线充电技术的发展，移动设备制造商、电力设备供应商和汽车零部件供应商都纷纷涉足无线充电技术领域，希望通过无线充电技术解决一直困扰车载移动设备的充电问题。虽然车辆内部空间暂时只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考验，给人们带来了更加便捷的驾驶体验。

受益于汽车行业的推动和车载无线充电技术技术标准的统一，目前，无线充电产品已经向汽车系统层面的配件集成方向发展。我们也期待无线充电系统能像现有的车载技术一样，成为未来车载信息娱乐系统的标准装备。

无线充电产品在市场上异军突起，国内相关部门也在加紧研究无线充电设备的法律法规和监管政策。监管政策的及时出台将对产品应用和技术发展起到积极作用。本文研究的国际标准化趋势和法规要求也可为相关研究提供参考。

参考

[1]王洪波，朱一之。无线供电技术的发展及应用前景[J].电信技术，2010.09。[2]杨军，朱亮。无线供电设备认证要求[J].现代电信技术，2014。[3] Kamil A. Grajski，Ryan Tseng和Chuck Wheatley。IEEE IMS 2012:松耦合无线电力传输：物理、电路、标准。

作者简介

王志伟：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：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。