无线电源市场升温

无线电源市场正在不断变化，因为现有的技术遇到了新的方法。旧标准之争已有所缓和，但相互竞争的信息依然存在。

公众最终使用的电力将在很大程度上取决于公共充电基础设施，但这其中的利害关系是重大的。电池充电器的市场是这样的预测到2022年达到250亿美元。大多数充电器都是插在墙上的，但随着无线充电越来越普及，随着时间的推移，它可能会占据更大的充电市场份额5 b美元在接下来的几年里。不用再摆弄有线充电器的前景为消费者和其他工业市场带来了更大的便利。

NuCurrent的市场总监迈克·哈蒙(Mike Harmon)说:“相对而言，无线电源行业是一个新兴行业，目前还有些令人困惑，因为有很多不同的无线传输电力的方法。”

目前有两种主要的无线充电方式。一种叫Qi(发音为chee)，工作频率大约在100到300kHz之间。另一种是Airfuel，工作频率为6.78 MHz。几年前，两家公司曾争夺消费者市场，但苹果在iPhone无线充电领域与Qi合作，解决了这一争端。尽管如此，Airfuel仍将自己定位为显而易见的接班人，尽管其他充电技术正在悄然发展。

Qi由无线电力联盟(WPC)管理。航空燃料的历史更为复杂。过去有两个“共鸣”标准——电力事务联盟(PMA)的PowerMat标准，以及无线电力联盟(A4WP)的Rezence标准。斗争激烈，最终，PMA和A4WP走到了一起。其结果就是航空燃料，管理机构成为了航空燃料联盟。

感应耦合与共振
当今成熟的无线充电器利用磁感应在空气中传输能量。通过充电器中的线圈(“发射器”)的振荡电流产生的磁场可以被充电设备中的另一个线圈(“接收器”)检测到。传递的磁能可以变成电流，然后被发送到电池。

这有两个重要方面。一个是与磁场耦合的能力。第二是有效地将磁能转化为电能的能力。最后一部分很容易被忽视，但这正是挑战所在。

早期的无线充电方法完全依赖于一个线圈与另一个线圈的磁耦合能力。这被称为“感应充电”。它的定位有时与另一种方法相反，称为“谐振充电”。但事实上，两者可以协同工作。

共振是指两个物体通过以自然共振频率振荡来交换能量的能力。能量传输在这样的频率附近更有效，但这取决于充电器和目标设备之间的距离。

这个距离涉及到“磁耦合”的概念。充电器和目标都有线圈，其磁场可以相互强烈作用。对于紧密耦合的系统，两个线圈靠得很近，这样两个线圈都能强烈地感受到磁场。

图1:紧密耦合感应充电。来源:NuCurrent

在这种排列中，共振仍然可以发挥作用。WPC主席兼联合创始人门诺·特雷弗斯(Menno Treffers)说:“接收器需要有一个确定的共振频率。”“如果你把发射器和接收器放在一起，效率和能量传输的最佳操作不是在谐振频率上，而是在略微偏离的频率上。你移动得越远，你就必须越接近共振频率才能使传输最优。在接收器的准确共振频率下操作是不可能的，因为它们开始相互争斗。”

随着线圈之间的距离越来越远，我们进入了通常称为“谐振”充电的领域，其中谐振元件占主导地位。磁场看起来类似于电感版本，但更少的磁场线交叉两个线圈。

图2:松耦合谐振充电。来源:NuCurrent

“感应”和“共振”这两个名字通常用来描述两种不同类型的系统——紧密耦合和松散耦合。实际上，这两个系统都在一定程度上依赖于共振，所以这个术语并不完全准确。

当紧密耦合为主要机构时，两个线圈的尺寸必须相同。因为许多被充电的设备都很小，比如电动牙刷，所以充电器线圈也必须很小。对于较小的线圈，电场在程度上受到更多限制，限制了两个线圈之间的距离，并且仍然有效地传输功率。更大的距离是可能的，但线圈需要更大的工作。目前，紧密耦合的线圈之间的距离必须在几毫米以内。

图3:紧密耦合线圈，具有相同的尺寸和较小的“z”距离。来源:女警官

通过所谓的谐振充电，耦合不再是主要机制，因此充电线圈可以比接收线圈更大。这使得在充电器附近放置手机或其他设备的空间灵活性更大。这意味着人们希望将发射器放在柜台或桌面下，而接收器则简单地放在柜台上充电。

图4:松散耦合线圈，都具有不同的线圈尺寸(左)和较大的“z”距离。来源:女警官

扩大放置灵活性的一种方法——即使是紧密耦合——是将几个线圈排列在一个阵列中，甚至重叠。充电系统会找出离目标设备最近的线圈来给该线圈充电。

“更好的发射机也使用线圈阵列，”Treffers说。“汽车充电器使用线圈阵列。而阵列的面积几乎是无限的，这取决于你放了多少线圈。”

图5:具有多个重叠线圈的系统示例。来源:女警官

在这样的设置下为多个设备充电是可能的，尽管这对电感系统来说是一个挑战，因为多个通电线圈也可以相互耦合。但这种情况正在改变。“有些充电器可以给多部手机充电，”NuCurrent的工程副总裁吉姆·克恩科维奇(Jim Crnkovic)说。“它们本质上是内置在一个设备中的多个气源发射器。其中一些产品有多个Qi认证。”

厨房和助听器
WPC还在研究一种名为Ki的更高功率家庭频率新标准，使他们所谓的无线厨房成为可能。Harmon说:“Ki正在为电感式灶台和电器的整个生态系统进行开发，可接收高达2.2 kW的功率。”

这使用相同类型的感应线圈用于感应灶台。特雷弗斯说:“它可以作为现有电磁炉的升级版。”“由于线圈更大，磁场可以传播更大的距离，使得厨房台面上的电器可以供电。”

这更多的是为设备供电，而不是为电池充电。像搅拌机和咖啡机这样的电器可以用相匹配的Ki线圈来代替插头，然后把它们放在发射线圈上就可以供电了。

另一个正在启动的标准过程被称为WattUp，它是由Energous(发音为enerjuss)通过空气燃料联盟推动的。这项努力刚刚宣布，航空燃料联盟正在邀请该领域的其他公司参与。这种方法提供了第三种进行功率传输的方法，即使用射频能量。

图6:接收功率随发射距离的变化。这些区域指的是所使用的半导体技术，具体细节不得而知。来源:Energous

Energous在这个领域已经有了产品，并且选择了915 MHz (ISM频段)作为充电频率。这些产品可以在近距离工作，即所谓的近场，也可以在更远的地方工作，即中场或远场。

Energous公司声称能够在近场以更高的功率充电，最高可达40W左右，而目前Qi的最大功率为15W。因为它不涉及耦合线圈，所以不需要平面或任何特定形状。这使得它对不规则形状的物品如耳塞或助听器特别有吸引力。

Energous称，这种更通用的方法可以应用于各种设备，可以减少不同形状和型号设备的零件编号。它还应该提供一种从接触式充电器(使用pogo销，这意味着它们不是无线的)到远场充电的单一方法。

在创建这些系统时，这样的形状可能会引起设计师的关注，但RF模拟器可以适应任何形状。“有限元方法的美妙之处在于，它可以处理这些任意形状的物体。有限元分析软件．

射频充电的其他好处包括能够用一个发射机轻松地为多个接收器充电，以及接收更高频率所需的天线尺寸更小。

图7:射频充电。来源:NuCurrent

健康问题
射频充电需要注意的是安全。对于这样的任何辐射类型的设备，世界各地都必须满足严格的规定，美国FCC法规的所谓第15部分将功率限制在4W的有效各向同性辐射功率(EIRP)，最大传导发射功率为1W。由于限制太大，Energous希望使用第18部分，其中涵盖了ISM波段。

Energous首席执行官Stephen Rizzone表示:“我们必须在现有规则中找到一个FCC认可的定义。”

研究的重点是人体吸收的能量，即“比吸收率”，或称SAR，在1米内的极限为1.6 W/kG。SAR测量中的kG与吸收能量的材料有关，对人来说就是他们的皮肤。Rizzone说:“我们同意FCC接受功率限制在一个波长以内的传输，”大约是0.3m。

这已经发生了一些变化。Energous的工程执行副总裁Cesar Johnston说:“对于我们第一个通过第18部分批准的发射器，FCC使用[一个波长]作为参考距离……接收器周围的能量从发射器到接收器的最大距离为1米。”“目前，FCC正在根据第18部分批准高达1米的无线电力传输。”

射频充电也与使用射频收集能量密切相关。主要的区别似乎是，射频充电使用特定的频率来保证充电，接收器可以集中在该频率上。收获通常意味着清除周围的信号，从它们那里收集任何东西。这可能需要一个更宽的频段接收器来访问更多的频率，而这可能会影响效率。Energous将有意的rf充电方法称为“主动”，而能量收集则是“被动”。

频率和效率
对于更高频率的方法，主要的挑战是将传输的能量转换为电能的效率。从历史上看，大部分能量都损失在硅基电子产品中。“电力电子设备必须在这些频率下保持高效，”航空燃料联盟(Airfuel Alliance)主席桑杰·古普塔(Sanjay Gupta)说。“你可以通过空气进行良好的传输，但如果在半导体中以热量的形式燃烧，那就不好了。”他补充说，因此，“五到七年前，用于消费电子产品的功率半导体的技术水平是千赫兹。”

根据航空燃料联盟的说法，氮化镓GaN是一种宽带隙半导体材料，它使传输功率的高效处理成为可能。过去的技术更倾向于低频率的方法。GaN打开了更高的频率。

energy认为GaAs是GaN之外的重要技术。虽然GaN在发射机中有一个位置，但它的值在使用GaAs的接收端进行整流时仍然不清楚。约翰斯顿说:“氮化镓仍处于早期阶段，我们必须找到最好的方法来适应我们的工作。”“从功率放大器的角度来看，它非常适合，但作为整流技术，它仍然存在一些挑战。GaAs技术有更好的二极管。”

至于哪种频率效率最高，人们意见不一。WPC和空气燃料联盟都可以指出给各自技术高分的论文。WPC资助了一篇论文，这篇论文让齐军获得了效率优势。根据该论文的摘要，“该方法估计110-205kHz系统在充电周期内的能量传输效率为59.2%，而6.78MHz谐振系统的能量传输效率为39.8%。”与此同时，空气燃料联盟与犹他州立大学一起撰写了一份报告，报告称，一些设备的空气燃料效率高达70%。

在测量效率时，各方都认为重要的是测量整个系统，而不仅仅是线圈对线圈的效率。设计工作必须同时考虑领域和电子。Ansys应用工程经理Mark Solveson表示:“我们在电磁学和电力电子两方面都有工作。“我们认为能够同时模拟这两个系统非常重要。”

更高效的电子产品会产生热量，但不会消除热量。Kan指出，在设计过程中必须考虑热量，特别是在较高频率的情况下。他说:“更高的开关频率可以使我们获得更高的功率密度，从物理上减小尺寸，随着功率密度的增加和占地面积的减小，这就有了潜在的散热问题。”

一般来说，在较低的频率下更容易实现更高的效率。Crnkovic说:“系统中导体的电阻随着频率的升高而增加，从而增加了损耗。”他把抗药性增加的主要原因归咎于“表皮效应”。随着频率的增加，电流向导线表面集中。在一根扭曲的电线中，这可能意味着内部的线可能很少或没有电流。

这可以通过使用“利茨”电线来帮助，它将每股绝缘，以防止电流迁移到股外。蒙皮效应仍然适用于单个股，但不是整个束。Crnkovic说:“Litz线通常适用于2 MHz左右，因此它适用于Qi频率，而不适用于AirFuel频率或NFC。”

图8:在扭曲导线横截面上看到的集肤效应，其中深蓝色表示电流更大。在左侧，电流迁移到束的边缘。在右边，利茨线保持电流在每一股。资料来源:Bryon Moyer/Semiconductor Engineering

这可以使实现低频大功率设备更容易，但这不是一个规则。Energous声称在915MHz提供40W，而Qi在100kHz范围内提供15W。

也有传言说来自齐国的干涉。任何这样的充电器都会产生泛音，理论上，Qi可以对无线电或电视波段造成干扰。在标准之争中相对中立的nuccurrent并没有意识到这个特殊问题。但该公司表示，在某些情况下，它干扰了某些汽车的被动钥匙输入功能，这些功能以相同的频率运行，可能会导致车门无意中被解锁。

因为空气燃料是在ISM波段，许多谐波也结束在该波段内。值得注意的是，第一个谐波是13。76MHz, NFC在此运行。虽然ISM频段对EMI的规定较少，但设备仍然需要与使用这部分频谱的其他设备良好地合作，因此干扰不能被忽视。

Airfuel公司的古普塔说:“在ISM的范围内运行必须遵守一些规则，所有在这些范围内运行的产品都必须符合这些规则。”“这些不像正规乐队那样严格。但是工作在这些频率的设备可能会受到其他工作在这些频段的设备的干扰。”

干扰是系统设计过程中必须考虑的诸多方面之一。Kan指出:“我们能够处理EMI和EMC分析，包括导电和辐射。

沟通
无线充电还需要一个控制过程的通信通道。这使得发射器和接收器可以通过握手来开始和结束充电过程，并在任何可能需要调整充电过程的情况下(如过热)进行通信。

Qi使用带内方案进行这种通信，调制充电波形。Airfuel和energy都使用低能耗蓝牙，而Ki则使用近场通信(NFC)。nuccurrent有一个专有的实现，可以在带内通信，乍一看这可能是一个问题。选择6.78MHz作为Airfuel的工作频率是因为它是ism波段的最低频率。从字面上看，这意味着用信号调制它会增加一个在下边带，这将超出ISM范围。但是，正如NuCurrent解释的那样，这是一个30kHz宽的完整频段，留下了足够的空间来运行信号。

NuCurrent的高级现场应用工程师Jason Luzinski参考Ki举例说明了通信的工作原理。他说:“你可以把厨房电器放在充电器上。”“我们从NFC通信开始，以确保高功率设备的正确对齐和认证。然后我们开始在千瓦范围内进行实际的功率传输。然后在零交叉处，我们通过近场通信(NFC)传递所有电源信息来控制设备。”

公共基础设施
无线充电被吹捧的主要场景之一是，你可以去咖啡店，把手机放在桌子或柜台上，一边喝咖啡一边充电。齐已经有了一些装置。“你可以去芝加哥的麦当劳，那里有50齐的充电器，”哈蒙说。

虽然Qi以前依赖于摇篮，但更新的Qi实现可以像垫子一样充电。特雷弗斯说:“实际上，把手机正确地放在充电器上并让它工作，没有人会有问题。”

不过，特雷弗斯说，咖啡店并不是真正的目标。“人们在喝咖啡的时候用手机工作，”他说。“所以它不是基础设施的主要应用。它可以放在床边，也可以放在客厅和办公室。”

图9:机场充气充电站。来源:女警官

其他无线充电方式
虽然感应、谐振和射频是无线充电的主要方法，但其他充电机制正在探索中。其中包括:

• 电容。这涉及到电场而不是磁场，它需要两块板来创建一个完整的电路。这里的挑战是需要非常高的电压，这使得它很难用于日常使用。在10英寸的范围内，功率高达250W。

图10:电容式充电。来源:NuCurrent

• 电子机械，或超声波。从字面上讲，这包括发送声音，产生可以转化为电能的振动。接收器必须精确对齐，以有效地转换波束形成的声音信号。它在4米范围内实现了1.5W。

图11:超声充电。来源:NuCurrent

• 激光。这样做的好处是它是聚焦的，所以能量不会像辐射射频信号那样随着距离而消散。挑战在于1mW的能量就能造成伤害。据报道，16英尺宽的2W，尽管效率很低。

图12:激光充电。来源:NuCurrent

• 电动汽车。这些公司也正在向无线方式发展。其目的是为电动汽车提供比汽油发动机更好的加油选择。针对这一应用，SAE J2954新标准将于今年发布。这是一种感应谐振方法，工作在85千赫。主要目标是静止充电，尽管有人讨论过建立可以动态运行的基础设施，在车辆行驶时充电。

结论
目前的行业状况是，齐航凭借其较早的起步和稳固的基础占据主导地位。空气燃料主要用于专有装置。Luzinski说:“6.78MHz的设计有助于你在Qi垫上无法充电的时髦外形——鞋子，弯曲的物体——通常这些公司倾向于控制自己的生态系统。”

标准之战并没有完全结束。Airfuel被定位为Qi的明显继承人，但WPC不这么看。RF也加入了这场战斗，尽管现在衡量它的潜在成功还为时过早。而所有其他方法要想挑战当今的任何主要参与者，还有很长的路要走。

但无论标准和方法如何动摇，无线充电似乎正在上升。“在过去的五年里，我看到了很多无线充电产品出现在这个行业，”Kan说。“未来可能会越来越多。”