无线电力传输(WPT):生存、挑战和解决方案

作为一个社会, 我们已经不再喜欢电缆了，部分原因是当我们使用设备时，把它拴在适当的位置是多么的不方便，部分原因是, 作为终端用户, 我们现在不可避免地意识到有一个更好的方法. 设备之间的无线通信正变得越来越普遍，也越来越容易实现, 它的吸引力是不可否认的.

无线通信对个人和社会都有许多好处, 从减少铜缆(对环境的净收益)到提高行动不便的人的可用性，这些人可能难以连接和断开电缆, 为了方便. 使用蜂窝设备, 我们基本上已经实现了完全无电缆的数据传输, 但通讯设备需要能源才能工作，这是一个棘手的问题. 一部手机或一台电脑可以在空气中传输数量惊人的信息, 但是当电池电量不足时, 用户别无选择，只能再次被拴在墙上. 可以 无线电力传输 成为最终的解决方案，有一天会像无线通信接口一样无处不在?

本文重点介绍了其中的一些技术, 用例, 以及WPT面临的监管挑战，以及这项技术未来将引领我们走向何方.

无线电力传输(WPT)用例

想想你家里或办公室周围插座上的所有产品. 这无疑是一个很长的清单, 从从不移动的物体, 比如你的冰箱, 那些从不静止的物体, 比如你的手机. WPT对手机等设备如此有用的原因很明显, 以及为什么手机是无线充电的第一个广泛应用, 但WPT在家庭内外都有更广泛的潜力. 想象一下，当你工作时，可以在厨房里移动台面电器, 不用担心短线或插座的位置. 想象一下，一辆永远不需要插电的电动轮椅. 我们已经把WPT的一些形式融入了我们的生活, 很明显，在更多的情况下，WPT将提供显著的好处.

家庭

不像冰箱, 在家庭和餐厅的厨房里，像搅拌机这样的台面厨房用具经常被从一个台面移到另一个台面. 如果这些设备可以无线充电, 它不仅更方便, 但是要减少被卡住的风险, 具有破坏性的, 或者在设备需要移动时被电线绊倒. 热板, 哪一个是电动替代桌面燃气燃烧器与明火, 是否比汽油车安全得多，但有明显的缺点，需要插上电源. 无线电力传输可以使这些电器成为餐桌上烹饪的理想选择, 无论是在家里还是在餐馆.

把你的移动设备放在桌子上，就像变魔术一样给它们充电，这种便利怎么说都不为过, 当然. 第一批配备可充电电池的笔记本电脑和平板电脑也让消费者的期望发生了类似的解放性转变. 然而，无线充电的优点不仅仅是方便. 目前, 每个可充电设备都配有充电器, 它可能与你所有的其他设备不兼容，如果你更换了你的设备，它就会失效. 同样的, 当你放错地方或损坏电线, 或者如果你需要在多个地方为手机等设备充电, 你被迫购买新电缆. 所有这些都造成了大量不必要的电子垃圾. 通过消除设备和电线之间的物理连接, 无线电力传输系统可以完全与设备无关.

WPT也有帮助残疾人的应用程序. 适合行动不便的人, 这项技术可以消除弯腰的需要, 移动对象, 或者找个墙上的插座插上电源, 对于那些灵巧程度有限的人来说, 将手机或平板电脑放在WPT设备覆盖范围内的任何地方都比插入一根细线要容易得多. 使用WPT后，助听器等设备也会变得更加用户友好. 更换这些设备中的微型电池是一项挑战, 但是设计一个带充电接口的助听器需要设备的体积更大. 通过消除充电端口, WPT还可以使医疗设备的外部完全密封, 使它们更防水, 更容易清洁, 与身体接触时可能会更舒服.

商业 & 工业应用

Modern machines are becoming more autonomous; many can communicate with each other without the need for human input (often called M2M communication), 在复杂的空间里独立移动. 这些机器需要内置电池而不是电源线, 哪一个当然需要定期充电. 对于一台自动机器来说，利用WPT充电比让同一台机器尝试将自己插入墙上的插座要容易得多，也更实用. 像机器人真空吸尘器这样的机器，通过在带有外露金属触点的充电垫上停车来充电已经很常见了. 这是一个改进插头和插座的这种类型的设备, 但WPT为产品改进提供了更大的潜力.

在工业环境中，充电板的主要缺点是机器人必须停止工作来充电. 一个创新的解决方案是将WPT线圈嵌入到机器人最常走的路线中, 允许它在继续工作的同时经常充电甚至不间断充电. 这不仅会大大提高生产率，而且可能使未来的机器人设计使用更小的尺寸, 更轻的电池.

许多 射频识别 技术已经集成了一种使用被动标签的WPT. 随着射频识别芯片被扫描, 高功率射频(RF)通道提供足够的能量来启动标签并传输相关数据. 当标签离开扫描仪时，它就会断电. 这种小型WPT的应用范围广泛且多种多样. 像这样的小标签可以用来追踪商业洗衣店, 既可以监控它的位置，也可以记录它被洗了多少次, 或者为商店或医院调查物品. 一般资产跟踪的潜力是非常有希望的.

运输

在运输im体育平台app下载, WPT的应用程序在很大程度上提供了改进的便利性, 但可能会为一些用户提供可衡量的生活质量改善. 按体积, 个人车辆是交通运输业中最大的一部分, 电动汽车将永远改变交通运输的格局. 对于很多电动车车主来说, 给汽车插上电源充电并不是什么难事, 但在城市地区, 电动汽车车主依赖于街道充电. 在拥挤的城市中，穿过人行道的电缆有可能被环境损坏，甚至可能对路人构成危险. 无线充电站可以让车主将车停在充电区旁边，并立即开始为车辆充电, 甚至不用下车. 对于普通人来说，这是一个方便的解决方案, 但对于轮椅使用者或其他行动不便的人来说, 它可以让他们更独立地旅行和完成任务.

有这么多的应用程序，什么样的技术支持WPT?

支持WPT的技术

磁感应

像电磁炉这样的产品使用的是一种古老但可靠的技术——磁感应. 它的工作原理与变压器相同:电流进入初级线圈并在次级线圈中产生电压, 反过来又用来为产品提供动力. 就燃烧器而言, 次级线圈是黑色金属，由于涡流, 它产生热量. 然后，锅中的热量与锅中的内容物导电耦合. 传统磁感应系统使用工频(50/60 Hz).

核磁共振

磁共振系统比感应系统更复杂，因为它们使用开关模式技术将交流输入转换为更高的频率(通常是工业保留的频率), 科学, 以及医疗用途, 或“ISM”波段)并获得效率优势. 接收线圈被调谐到与主线圈略有不同的频率，以确保最大功率传输.

无线电频率

基于射频的WPT系统是新一代无线电力传输技术. 它们本质上与任何无线电通信系统的工作原理相同, 只要发射机和接收机调谐到同一频率. 定向天线确保能量集中在小范围内. 可用频率的数量有限，因为这种类型的WPT系统(ISM)需要一个专用频率来确保它不会干扰其他通信系统.

监管环境

将产品推向市场的一个主要部分是确保它符合市场的监管要求. 世界各地有许多不同的监管批准, 但它们基本上遵循两种模式之一:北美模式或欧洲模式.

超出了安全等常见监管要求, 无线电频率和电磁兼容性法规可能是制造商需要克服的最大障碍. 这部分是由于不同地区的分类系统相互矛盾:一些人认为WPT是ISM产品的一种, 而另一些人认为它是无线电或无线设备.

WPT作为ISM设备

如果WPT产品产生无调制的纯射频信号, 然后它被认为是工业的, 科学和医学(ISM)技术. ISM一词源于国际电信联盟(ITU)。, 它的目标是协调世界各地的通用频段, 从而减少产品的差异，增加全球贸易. 国际电联无线电通信部门(ITU- r)已经分配了一些频段供ISM使用, 其中包括感应烹饪等应用, 材料的处理和电磁能的传递(包括WPT).

制造商可以使用ISM频段进行通信, 但是，他们这样做的前提是，他们不受干涉的保护. 制造商需要权衡可用ISM频率的潜在用途与使用特定频段的效率和实用性. 虽然ISM波段是明智的低功耗应用, 像电动汽车充电这样的大功率应用更具挑战性. 出于效率考虑, 高功率充电需要在低频率下进行(在kHz区域)。. 目前在这个范围内没有分配专用的ISM频率. ITU-R正在“识别”某些频率方面取得进展, 但这并不一定会被全世界所接受, 这取决于各个国家是否允许使用. 这对汽车制造商来说并不理想, 因为这意味着某些国家的某些车辆可以使用WPT充电，而其他国家则不行.

WPT作为无线电设备

在欧洲和其他一些地区, 当WPT设备使用调制(或任何其他通信/确定技术)与负载在其工频上交换信息时, 它被认为是无线电设备. 如果WPT设备使用除电源频率以外的通信形式交换信息, 如蓝牙或ZigBee, 最终的产品仍然被认为是无线电设备, 但由于WPT频率本身没有通信, 视为ISM设备.

产品适用 & FCC的指导方针

北美-美国(FCC) /加拿大(产品适用)

传输信息的故意散热器必须根据相应的联邦通信委员会(FCC)第15部分规则进行认证, 并且通常需要设备认证. WPT设备可以在两种不同的模式下工作:充电和通信. 如果该设备明显符合相关规则部分且功能独立，则该设备可以根据第18部分的充电模式和第15部分的通信模式获得批准. 第18部分消费者设备可以使用认证或供应商符合性声明(SDoC)进行授权。, 一旦适当的射频暴露评估完成.

在ANSI (C63)中，WPT应用程序的新标准正在进行中.30)，预计将于2021年底或2022年初出版. 虽然这仍在发展中，但本文描述了FCC的现状.

FCC射频(RF)暴露指南

FCC知识数据库(KDB)指南680106指出，专门用于无线电力传输或感应充电的设备需要FCC频率暴露审查指南. 这包括第18部分的设备. 对于责任方(在大多数情况下)来说，这可能是必要的, 制造商)通过提交KDB查询来寻求FCC对特定WPT设备的支持.

如何获得FCC的批准

在美国.S, 产品制造商必须通过提交无线充电应用调查来寻求FCC的指导, 除非设备符合KDB 680160第5节中列出的要求. KDB 680160不包括医疗设备, 因此，对这些设备的询问将需要具体情况具体分析.

KDB 680160第5节引用的要求:

1. 功率传输频率小于1mhz.
2. 每个初级线圈的输出功率小于等于15瓦.
3. 传输系统只包括单个一次线圈和二次线圈. 这包括充电系统，可能有多个主线圈和客户端，可以检测和只允许单个线圈对之间的耦合.
4. 客户端设备直接与发射机接触.
5. 仅限移动暴露条件(不包括便携式暴露条件).
6. 所有同步发射线圈在器件周围15厘米处和顶表面以上20厘米处的总h场强度小于MPE极限的50%.

对FCC的调查应包括以下内容:

• 完整的产品描述，包括线圈直径，匝数和电流
• 设备将在其下运行的FCC规则部分和选择规则部分的基础
• 计划的设备授权程序(i.e.、SDoC或证书)
• 图纸,插图
• 工作频率
• 辐射功率
• 操作配置
• 人体暴露条件

加拿大射频暴露指南

加拿大对无线感应充电设备的射频暴露采取了不同的方法, 根据无线电标准规范216 (RSS-216)将产品和子组件分为三类, 问题2, 修改1, 2020年9月, 无线电力传输装置):

• 类型1:不传输任何情报，不需要认证
• 第2类:第II类无线电-包括在WPT频率上的调制，但无须认证
• 第三类:第一类无线电-需要认证

WPT设备还必须符合加拿大卫生部关于射频暴露的安全规范6. 在评估合规性时，所有发射机必须处于最大功率. 这包括那些不用于电力传输的.

符合无线充电设备的EMC要求

对于FCC, 散热器需要根据FCC第15C部分(FCC 15)的相关部分进行测试和认证.209, FCC 15.225年,等.)，适用于涉及数据传输的电讯应用. FCC第18部分允许在没有情报传输的情况下使用, 例如在RF用于工作加热的情况下, 焊接, 材料处理, 和充电. 只有在特定情况下, 而且手段非常有限, 充电状态(不包括温度)是否允许通过第18部分传输.

根据KDB 680160第2a节引用的要求

如果系统使用负载阻抗, 也叫负载调制, 在客户端设备的基本传输频率上，用于负载管理的唯一目的, 这些系统可以根据第18部分获得授权. 负载调制必须是传输系统电源管理和控制的组成部分，并且必须仅在确保安全有效运行所必需的范围内使用. 有效的应用包括响应过电压条件的快速关断, 充电状态报告, 以及无效设备的识别.

根据第18部分授权的设备, 负载调制不能用于通信任何其他信息, 例如设备的充电优先级或扩展系统数据的传输, 图像或音乐. 对于执行这些功能的设备, 设备批准必须同时满足第15部分和第18部分的要求. 类似的, 使用680106 D01射频暴露无线充电应用程序v03 Page 2辅助频率进行负载管理的设备, 控制, 和数据功能必须根据第15部分和第18部分的要求进行授权, 适当的.

加拿大, 每个rss - 216, 没有通信能力的设备将按照ICES-001进行测试, 哪些引用了CISPR 11第2组. 具有通信功能的设备将按照相关产品标准(RSS-210、RSS-310等)进行测试.).

欧洲- CE标志/ UKCA

就像美国和加拿大一样, 一个只进行无线电力传输而不进行其他无线通信传输的系统不属于欧盟的管辖范围 无线电设备指令(RED). 然而，任何形式的通信，如负载调制，都属于RED.

在太空中传播电磁波的产品, 但不是用于无线电通信或无线电测定的，不包括在RED范围内. 这类产品包括:

• 感应加热或加热器具(包括炊具)
• 纯无线电力传输(不包括任何通信或无线电测定)
• 高频手术设备
• 测试设备，如果打算使用无线电波专门用于测试其他设备

这, 反过来, 影响使用哪些标准来证明合规性，并决定公告机构的必要性. 属于EMC指令/法规范围的产品将根据EN 55011评估产品, CISPR 11的欧洲版本. 本标准涵盖了ISM产品，专门针对不进行通信的WPT设备的要求. 因为该类型的产品会被归类为ISM产品, 它们要么需要在ISM频率上运行，要么需要满足一般产品的排放限制. 全世界的ISM频率数量有限, 然而, 它们并不是真正的和谐, 因此仔细考虑这些频率是非常重要的.

在其功率频率上进行通信的WPT设备被认为是无线电通信设备，因此受到一组不同的监管要求的约束, 尽管两条路线都考虑到有害干扰和安全问题. 适用的标准由欧洲电信标准协会(ETSI)编写。, 哪个是电信设备的欧洲标准机构. 标准en3030417和en300330可供制造商使用，以证明他们有效地利用了频谱要求(第3条).2). 如果没有明确适用于制造商特定产品的标准, 制造商可以选择使用公告/指定机构的服务, 哪些将使用其他方法来证明符合指令或法规的“基本要求”. 这是一个更复杂的过程，因为制造商需要证明他们的产品符合基本要求，并且可以避免有害干扰，而不依赖于标准提供的预定参数集.

EMC要求也适用, 和EN 301 489-1/3通常用于证明产品按预期工作(i.e. 在制造商规范内)在其预期的电磁环境内.

在欧洲, 射频暴露的考虑属于安全要求(与北美相反), 被认为是射频要求的地方). 该设备必须符合国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)的要求，并且必须符合第3条.无线电设备指令/规例第1a条. 这种合规性通常使用已转换为欧洲等效标准(如EN 50566)的国际标准来证明, EN 50663, EN62311, or EN62233; the exact standard will depend on the application.

未来的无线电力传输在监管环境

由于WPT产品的监管环境在世界各地各不相同, 一种产品要在全球分销，必须满足许多不同的监管条件. 这些条件的范围从提供明确遵循途径的专用标准到模糊和模棱两可的需求. 同样的技术也有不同的分类方法——它是无线电设备还是ISM产品? 也许WPT产品最终会成为自己的品类.

ITU-R率先尝试在目前没有WPT专用频带的地方建立专用频带. 试图在不干扰现有分配的情况下解决和指定新的频率分配，同时支持频谱的有效利用是一项微妙的工作. 这项工作很费时间，一时半会儿不会结束, 但用户现在想要的是WPT技术的便利性.

北美(FCC和产品适用)有明确的合规路线, 但这只是制造商打开全球市场解决方案的一部分. 欧洲的法规似乎更为宽松，因为合规制度主要基于“自我声明”,但制造商需要进行风险评估并进行自己的研究，以确保产品不会造成有害干扰. 这, 反过来, 导致不同的解释需要做什么，每个制造商最终采取不同的方法.

ETSI和CEPT目前正在研究不同的WPT技术，并进行共存研究, 但考虑到在RED下收集数据和发布令欧盟委员会满意的新标准的过程缓慢, 它们的进程在一段时间内也不会结束. 在此期间, 公告机构致力于监测快速变化的环境, 协调需求, 并确保制造商提供证据，证明他们有效地使用了无线电设备指令范围内的频谱.