無線充電技術(shù)簡(jiǎn)介及其監(jiān)管機(jī)制思考

1、 Brief Introduction of Wireless Charging Technology and the Think of Regulatory Regime about it Chuanliang Wang, Dayong XieOffice of the Tianjin Radio Management Council, OTJRMC, Tianjin, China Abstract: The paper mainly introduces three main wireless charging technologies and their development stat

2、us nowadays，and then analyses the challenge to spectrum supervision and devices Certification brought by these technologies. Lastly it gives several feasible suggestions on how to solve above problems.Keywords: Wireless Charging; coupling；exposure；standard；Regulatory Regime無線充電技術(shù)簡(jiǎn)介及其監(jiān)管機(jī)制思考 王傳亮，解大勇天津

3、市無線電管理委員會(huì)辦公室，天津，中國(guó)，300074【摘要】本文主要介紹了幾種主流無線充電技術(shù)的工作原理及發(fā)展現(xiàn)狀等，接著分析了該項(xiàng)技術(shù)給頻譜管理和設(shè)備認(rèn)證帶來的挑戰(zhàn)性問題，最后給出了解決該類設(shè)備監(jiān)管難題的一些可行性建議?！娟P(guān)鍵詞】無線充電；耦合；輻射；標(biāo)準(zhǔn)；監(jiān)管機(jī)制1 引言無線充電（Wireless Charging or Wireless Powering）是一種通過非接觸手段對(duì)設(shè)備進(jìn)行充電的技術(shù)，主要利用了電磁耦合、電磁輻射等原理，并不是一項(xiàng)全新的發(fā)明。在2008年8月的Intel技術(shù)峰會(huì)上，英特爾實(shí)驗(yàn)室里的研究人員利用電磁諧振原理在會(huì)場(chǎng)上演示了這種無線供電技術(shù)1。他們使用下圖1中那個(gè)較大

4、的線圈成功的向旁邊1米左右遠(yuǎn)的那個(gè)60W電燈泡供電，效率高達(dá) 75%。該演示試驗(yàn)引起了與會(huì)人員極大興趣，也使全世界對(duì)無線充電技術(shù)的迅速發(fā)展充滿了熱切期望。在此之后，利用不同工作原理的無線充電產(chǎn)品如雨后春筍般涌現(xiàn)，同時(shí)也給各國(guó)有關(guān)管理機(jī)構(gòu)帶來了一系列監(jiān)管難題。本文就是在此背景下，從無線電充電技術(shù)的歷史淵源、基本原理、發(fā)展現(xiàn)狀等展開討論，之后對(duì)該類產(chǎn)品的頻譜規(guī)劃、認(rèn)證管理等方面進(jìn)行了深入討論，期望以此引起大家對(duì)該領(lǐng)域的重視。Figure 1. The Demonstration of Wireless Charging in Intel Summit 圖1. Intel峰會(huì)上演示的無線點(diǎn)燈試驗(yàn)2

5、無線充電技術(shù)工作原理眾所周知，十九世紀(jì)時(shí)法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，之后人類對(duì)電磁場(chǎng)、電磁波相關(guān)理論的研究和應(yīng)用就再也沒有停止過。發(fā)明家愛迪生和電磁學(xué)巨匠特斯拉曾經(jīng)進(jìn)行過無線輸電技術(shù)的奠基性研究，但都沒有進(jìn)展到實(shí)用階段。直到科學(xué)技術(shù)相當(dāng)發(fā)達(dá)的今天，幾乎每種電子設(shè)備充電時(shí)都仍擺脫不了冗長(zhǎng)的“尾巴”，即型號(hào)各異的供電線纜或適配器等。這些有線供電方式在接口標(biāo)準(zhǔn)、電能轉(zhuǎn)化效率和使用成本等方面參差不齊，給使用者造成了較大不便，同時(shí)也給社會(huì)造成了巨大資源浪費(fèi)。而新型無線充電實(shí)用技術(shù)的出現(xiàn)，則為解決以上問題指明了發(fā)展方向。目前，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了的無線充電技術(shù)大致分為三大技術(shù)體系，下面一一敘述。2.1 電磁感應(yīng)工作方

6、式是目前最為成熟的一種無線充電技術(shù)，它利用初級(jí)和次級(jí)線圈之間的緊密耦合作用，即初級(jí)線圈的產(chǎn)生磁場(chǎng)變化時(shí)會(huì)使次級(jí)線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而將能量從傳輸端轉(zhuǎn)移到接收端。國(guó)際無線充電聯(lián)盟（Wireless Power Consortium）目前唯一確定的Qi標(biāo)準(zhǔn)就是基于該技術(shù)制定的2，目前已經(jīng)得到眾多廠家相應(yīng)，也涌現(xiàn)出來了大量實(shí)用的產(chǎn)品.下面就是德州儀器（TI）公司推出相關(guān)芯片產(chǎn)品的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案2。Figure 2. Principle of Operation of Wireless Charging System of TI 圖2 TI公司無線充電收發(fā)系統(tǒng)示意圖可以看到，該無線充電系統(tǒng)由兩大部分組

7、成，分別是發(fā)射器和接收器。發(fā)射器主要將交流市電轉(zhuǎn)化為具備一定周期變化的脈沖信號(hào)，從而使初級(jí)線圈產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，由于耦合效應(yīng)，次級(jí)線圈上會(huì)感應(yīng)出變化的電流，再經(jīng)過后面的整流和電壓調(diào)整電路后，便會(huì)輸出達(dá)到使用要求的電壓給各種負(fù)載,這些負(fù)載可以是工作中的手機(jī)、也可以是電池，并且同時(shí)可以是多個(gè)負(fù)載。接收器上還存在一個(gè)通信控制單元，能夠?qū)⒇?fù)載的變化情況反饋給發(fā)射器，尤其是在沒有任何負(fù)載的情況下，發(fā)射器不進(jìn)行任何形式的能量轉(zhuǎn)化工作，這樣即節(jié)省了電能，也大大減少了對(duì)周圍環(huán)境的電磁干擾。2.2 射頻輻射工作方式是目前發(fā)展比較成熟的一種無線充電技術(shù)，與現(xiàn)有RFID系統(tǒng)中廣泛使用的無源電子標(biāo)簽的供電原理類似，主要

8、工作機(jī)制是接收器通過高頻天線、檢波整流、倍壓等電路處理方式，將接收到的電磁波輻射的能量轉(zhuǎn)化為設(shè)備需要的穩(wěn)定工作電壓。目前在Powercast公司主頁(yè)上能夠看到不同功率、最遠(yuǎn)作用距離為10m的無線充電設(shè)備，它們就是采用該種工作方式的。另外Nokia公司還提出這么一個(gè)構(gòu)想，即只利用特制的接收裝置來收集散布于空間的電磁波（各種無線信號(hào)，無論寬帶還是窄帶），之后轉(zhuǎn)化為能夠儲(chǔ)存在電池內(nèi)的能量，由于該工作機(jī)制不涉及功率發(fā)射射頻輻射裝置，故不進(jìn)行討論。2.3 電磁諧振工作方式是利用電磁諧振原理，目前發(fā)射器和接收器一般由較大線圈繞制而成，當(dāng)它們與工作在共同的諧振頻率時(shí)，發(fā)射器上的能量會(huì)以最大效率傳輸?shù)礁浇慕?/p>

9、收器上，此時(shí)接收器同時(shí)將接收到的交變電流進(jìn)行整流、倍壓、濾波等處理，就可以給相應(yīng)的負(fù)載設(shè)備供電了；而當(dāng)沒有負(fù)載的時(shí)候，能量在電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間轉(zhuǎn)化沒有損失，負(fù)載端的多余能量返還給發(fā)送端。由于該種技術(shù)在實(shí)現(xiàn)時(shí)設(shè)備體積較為龐大，所以目前還很難進(jìn)行商品化，但是該技術(shù)在遠(yuǎn)距離輸電的應(yīng)用前景上很被看好。2.4 各種工作方式綜合對(duì)比在分析各種無線充電技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)它們的各自特點(diǎn)進(jìn)行如下對(duì)比，見表1Table 1. Comparison of Different Wireless Charging Technologies 表1. 各種無線充電技術(shù)對(duì)比2 3項(xiàng)目電磁感應(yīng)射頻輻射電磁諧振輸出功率最大幾百千瓦幾十

10、毫瓦到幾瓦最大幾千瓦覆蓋頻段110-205KHz250GHz左右，或VHF頻段幾MHz作用距離<1cm<10m<10m安全級(jí)別由使用條件和具體技術(shù)方案決定便利程度一般高比較高成熟程度最成熟比較成熟差代表產(chǎn)品或相關(guān)試驗(yàn)品符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的眾多充電板及充電電池Powercast公司及Powerbeam公 司產(chǎn)品Intel公司演示的無線點(diǎn)燈實(shí)驗(yàn)等相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)Qi標(biāo)準(zhǔn)暫無暫無產(chǎn)品成本低高中從以上各種參數(shù)的對(duì)比可以看到，三種無線充電方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，它們各自的發(fā)展前景除了受技術(shù)、成本、市場(chǎng)等因素決定外，政府的頻率規(guī)劃政策和設(shè)備參數(shù)限值規(guī)定也是其中一個(gè)重要的影響因素，這都導(dǎo)致了無線充電技術(shù)

11、發(fā)展的不確定性。2.5 無線充電產(chǎn)品市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀即便存在上述發(fā)展中可能遇到的風(fēng)險(xiǎn)，由于新興無線充電設(shè)備相對(duì)于現(xiàn)有供電方式具備以下優(yōu)勢(shì)：節(jié)省電量損耗、節(jié)省制造充電器的成本、使用方便等4，這點(diǎn)在能源緊缺的今天尤為重要，因此該領(lǐng)域仍被眾多廠家看好5。2008年12月17日,擁有幾十家世界主流電子設(shè)備生產(chǎn)商的無線充電聯(lián)盟（Wireless Power Consortium ）正式成立，并很快提出了與所有可再充電電子設(shè)備兼容的國(guó)際無線充電標(biāo)準(zhǔn)Qi。中國(guó)作為世界上最大的移動(dòng)通訊市場(chǎng)，更是對(duì)無線充電技術(shù)提供了更為廣闊的市場(chǎng)發(fā)展空間。2010年9月1日，無線充電聯(lián)盟在北京宣布將Qi無線充電國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)率先引入中國(guó)

12、6。截至去年，深圳桑菲、海爾、湖北松懿力騰和ConvenientPower等中國(guó)企業(yè)已經(jīng)各自展示了集成Qi標(biāo)準(zhǔn)的電子產(chǎn)品。無線充電技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域現(xiàn)在已經(jīng)拓展到大部分的消費(fèi)電子產(chǎn)品，如手機(jī)、便攜式音視頻播放器、數(shù)碼相機(jī)、筆記本等。實(shí)際上，在國(guó)外購(gòu)物網(wǎng)站上早就可以買到與iphone 系列手機(jī)相配套的無線充電墊及配套電池等產(chǎn)品了。3 頻譜規(guī)劃和認(rèn)證難題從前面的論述可以看出，各種無線充電技術(shù)的工作原理、應(yīng)用場(chǎng)景、適用頻段等存在較大差異，都處于蓬勃發(fā)展的時(shí)期。如何在積極引導(dǎo)該領(lǐng)域的順利發(fā)展的同時(shí)又不會(huì)給現(xiàn)有的電磁環(huán)境造成污染，成為擺在各國(guó)無線電管理和設(shè)備認(rèn)證工作人員前面的嚴(yán)峻課題。首當(dāng)其沖的是頻譜規(guī)劃問

13、題。根據(jù)現(xiàn)有的國(guó)際和國(guó)內(nèi)無線電規(guī)劃表7，目前還沒有專門劃分給無線充電設(shè)備的頻段。目前遵循的暫定原則是不影響現(xiàn)有無線電業(yè)務(wù)，不對(duì)現(xiàn)有設(shè)備造成電磁干擾。這樣也可能有現(xiàn)實(shí)的因素，因?yàn)楝F(xiàn)今各種無線供電技術(shù)都在迅速發(fā)展中，暫時(shí)不指定特定頻段有利于各種技術(shù)的潛力挖掘。通過市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和淘汰過程選擇出最佳方案后，可以再對(duì)其工作頻段作出正式劃分或定義。其次是設(shè)備EMC認(rèn)證問題。針對(duì)此問題，美國(guó)FCC去年就已經(jīng)進(jìn)行了重點(diǎn)關(guān)注。美國(guó)FCC有關(guān)文件已經(jīng)作出明確要求，凡是工作在9KHz以上的無線電池充電器和無線充電墊，屬于故意發(fā)射設(shè)備，要同時(shí)或單獨(dú)受到FCC PART 15和PART 18相關(guān)條款的約束。具體適用的條款要

14、根據(jù)設(shè)備工作方式而定，下圖3是FCC 對(duì)無線充電設(shè)備進(jìn)行認(rèn)證的流程示意圖89。 Figure 3. Certification Process of Wireless Charging Devices Suggested by FCC圖3. FCC建議的無線充電設(shè)備認(rèn)證流程但是目前FCC有關(guān)機(jī)構(gòu)在建議以上流程時(shí)，也提出以下亟需解決的若干問題：無線充電設(shè)備涉及的頻率范圍太分散，實(shí)際測(cè)試時(shí)要分有無負(fù)載情況、單個(gè)或多個(gè)負(fù)載情況進(jìn)行；另外對(duì)用于移動(dòng)場(chǎng)景的設(shè)備，還要進(jìn)行SAR等限值測(cè)試。但是目前的SAR測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)只是針對(duì)100MHz以上頻段進(jìn)行的，如果測(cè)試的設(shè)備的輻射頻率低于100MHz，必須研發(fā)對(duì)應(yīng)的S

15、AR測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)環(huán)境。4 解決對(duì)策針對(duì)以上難題，在不斷汲取其他國(guó)家的先進(jìn)管理經(jīng)驗(yàn)的過程中，我國(guó)在引導(dǎo)、規(guī)范無線充電設(shè)備的問題上應(yīng)按照積極創(chuàng)新、科學(xué)謹(jǐn)慎的原則進(jìn)行。首先是積極參加無線充電聯(lián)盟的相關(guān)工作。全程參與無線充電各項(xiàng)基本標(biāo)準(zhǔn)的制定過程，并爭(zhēng)取在其中發(fā)揮重要引導(dǎo)作用。其次是完善現(xiàn)有EMC標(biāo)準(zhǔn)定義。在充分了解現(xiàn)有各種無線充電技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，將該類設(shè)備劃分到適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品類型中，比如劃分到工、科、醫(yī)設(shè)備10或信息技術(shù)設(shè)備11，甚至還可考慮單獨(dú)設(shè)立類別等。另外，針對(duì)無線充電技術(shù)的特殊性，聯(lián)合多個(gè)部門及廠商研發(fā)出有針對(duì)性的輻射限值、測(cè)試方法和測(cè)試環(huán)境等。最后，根據(jù)最新技術(shù)水平、現(xiàn)有政策落實(shí)情況和市場(chǎng)

16、發(fā)展成熟程度等，再結(jié)合無線充電設(shè)備特點(diǎn)，適時(shí)進(jìn)行該類設(shè)備的專用頻段劃分工作。作為前車之鑒，我國(guó)的移動(dòng)通信干擾器產(chǎn)品因?yàn)榍捌谌狈τ行У谋O(jiān)管機(jī)制，造成市場(chǎng)泛濫，給空中電波秩序造成較大危害，之后雖經(jīng)各地相關(guān)部門屢次治理，但直到目前還難以根治。為避免出現(xiàn)該情況，我國(guó)的無線電監(jiān)管部門必須提前介入對(duì)無線充電設(shè)備的引導(dǎo)和監(jiān)管，只有這樣，我們才能取得事半功倍的效果。致謝References (參考文獻(xiàn))1 Intel Demonstrates its Wireless Charging System，,22 Aug.2008英特爾展示無線充電系統(tǒng), , 2008年8月22日 2 Bill Johns，An i

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