无线电力传输(WPT):生存,挑战和解决方案

作为一个社会,我们已经爱上了电缆——部分原因是拴在到位是多么不方便我们使用设备,部分是因为,作为最终用户,我们现在逃不掉地意识到,有一个更好的方法。无线通信设备之间越来越普遍,更多的实现,和它的魅力是不可否认的。

无线通信有很多好处为个人和社会,从减少铜电缆(环境)的净收益改善可用性对于那些有限的流动性可能难以连接和断开电缆,普通的便利。与移动设备,我们已经基本上实现了完全cable-free传输数据,但讨厌的问题依然存在,通讯设备需要一个能源工作。手机和电脑可以通过空空气传播有数量惊人的信息,但是,当电池电量低时,用户别无选择再拴在墙上。无线电力传输(WPT)可能是最终的解决方案时,有一天成为无处不在的无线通信接口?

本文强调的一些技术,用例,和监管挑战WPT,这项技术在未来可能会引导我们。

用例无线电力传输(WPT)

考虑所有产品插入媒体在你的家里或办公室。无疑是一长串,从不会移动的对象,像冰箱一样,从来没有坐着的对象,比如你的手机。很明显WPT为何如此有用的手机等设备,以及为什么手机无线充电的第一个广泛的应用,但WPT更广泛的潜在的内部和外部的家庭。想象能够移动台面电器厨房工作,而不用担心短绳或我们的网点的位置。想象一个电动轮椅不需要插入。我们已经集成一些形式的WPT进入我们的生活,而且很明显,有很多情况下,WPT将提供显著的好处。

家庭

不像冰箱,厨房台面搅拌机等设备往往从一个表面移动到另一个在家里和饭店的厨房。如果这样的电器可以无线充电,它不仅是更方便,但降低剐破的风险,损害或脱扣索当设备需要移动。热板,电动替代桌面与明火气体燃烧器,比天然气同行但更安全需要插入不同的缺点。无线电力传输可以使这些设备的理想选择烹饪在餐桌上,无论是在家庭和餐馆。

很难夸大的方便您的移动设备表,指控他们,就像施了魔法一样,当然可以。第一个笔记本电脑和平板电脑充电电池创造了一个类似的解放转变消费者的期望。然而,无线充电有优点除了方便。目前,每一计费装置配有一个充电器,一个可能不符合你所有的其他设备,如果你更换你的设备将会作废。同样地,当你放错地方或者损害绳,或如果你需要收取设备如电话在多个地方,你被迫购买新的电缆。所有这一切创造了很多不必要的电子垃圾。通过消除设备和声带之间的物理链路,无线电力传输系统可以完全设备无关。

WPT帮助残疾人也有应用。人们有限的流动性,这种技术可以消除需要弯腰,移动对象,或达到一个墙上的插座插头,和那些有限的灵活性,将手机或平板电脑的范围内的任何地方WPT设备是容易得多比插入一个小绳。像助听器和人工耳蜗等设备和WPT也变得更友好。改变微型电池在这些设备是具有挑战性的,但设计一个助听器充电端口需要身体较大的设备。通过消除充电端口,WPT还可以使医疗设备的外观是完全密封的,使他们更防水,容易清洁,并且在身体接触时可能更舒适。

商业和工业应用

现代机器越来越自治;许多可以相互通信而不需要人工输入(通常称为M2M通信),和独立移动复杂的空间。这些机器需要内置电池而不是电力电缆,这当然需要定期充电。是更容易、更实际的一个自治机器利用WPT充电比同一台机器试图把自己插到墙上的插座。它已经非常常见的机器如机器人吸尘器充电自己,停止充电板上暴露的金属接触传输功率。这是一个比一个这种类型的插头和插座装置,但WPT为产品的改进提供了更大的潜力。

充电板的主要缺点在一个工业环境是机器人停止工作。创新的解决方案之一就是WPT线圈嵌入机器人最旅行路线,让它经常充电,甚至不断的同时继续工作。这将不仅大大提高工作效率,可以让未来的机器人设计上使用更小,更轻的电池。

许多RFID技术已经集成的一种WPT使用被动标记。RFID芯片扫描,一个高性能的射频(RF)通道提供足够能量的标记和转移相关的数据。标签然后离开时关闭扫描仪。申请这种类型的小规模WPT多种多样。这样的小标签可以用来追踪商业洗衣,监控其位置和日志已经洗过多少次,或为商店或医院调查对象。一般资产跟踪的潜力是非常有前途。

运输

在交通运输行业,WPT应用程序很大程度上提高方便,但可能为一些用户提供可衡量的生活质量改善。通过体积,个人汽车运输行业最大的部分,和电动汽车交通景观永远都在变化。对许多电动车主来说,没有很困难插入充电的汽车,但在城市地区,电动车主依靠街充电。电缆横跨在拥挤的城市人行道有潜力成为损坏环境,甚至可能危害路人。无线充电可以让车主打开充电区域旁边,开始立即收取他们的车辆,甚至不用离开汽车。一般人这是一个方便的解决方案,但对于轮椅使用者或其他流动性有限的人,可以让他们去旅游,更独立地完成任务。

有如此多的应用程序中,什么样的技术支持WPT ?

技术支持WPT

磁感应

产品,如感应烹饪燃烧器使用旧但可靠的技术称为磁感应。它作用于同样的原则作为一个变压器:当前饲料进入初级线圈,产生一个电压到次级线圈,进而用于电力产品。在燃烧器的情况下,二次线圈是黑色金属,由于涡流,产生热量。潘的热量然后电耦合的锅里的内容。传统的磁感应系统利用频率(50/60 Hz)。

核磁共振

磁共振系统比感应更加复杂,因为他们使用开关型技术交流输入转换为一个更高频率(通常是频率用于工业、科学和医疗用途,或“主义”乐队)和获得效率的优势。接收线圈是一个稍微不同的频率比初级线圈,以确保最大的权力交接。

无线电频率

RF-based WPT系统是新一代的无线电力传输。他们基本上在同一工作原则是任何无线电通信系统,只要发射机和接收机是相同的频率。定向天线确保能量集中在一个小区域。有数量有限的可用频率从这种类型的WPT系统(ISM)需要一个专用的频率,以确保它不会干扰其他通信系统。

监管环境

将产品推向市场的重要组成部分是确保它符合市场的监管要求。有许多不同的监管机构的批准在世界各地,但他们主要遵循两种模型:北美国模式和欧洲模式。

除了常见的监管要求,如安全,无线电频率和电磁兼容性规定对制造商也许最大的障碍要克服。这部分是由于矛盾的分类系统在不同地区:一些人认为WPT ISM的一种产品,而另一些人则认为这无线电或无线设备。

WPT ISM设备

如果WPT产品产生一个纯粹的没有调制射频信号,它被认为是一个工业、科学和医疗(ISM)技术。主义一词源于国际电信联盟(ITU),旨在协调全球频段共同使用,从而减少产品和增加全球贸易的变化。ITU无线电通信部门(ITU-R)某些频段分配ISM使用,其中包括应用程序(如感应烹饪,治疗材料和电磁能量的转移(包括WPT)。

制造商可以利用ISM频段进行通信,但他们必须与理解这样做,他们不受干扰。制造商需要权衡潜在使用可用的ISM频率对使用特定频带的效率和实用性。虽然ISM波段是明智的低功率应用中,高功率应用,如电动汽车充电更具有挑战性。出于效率考虑,大功率充电需要执行低频率(赫兹的地区)。目前没有专门的ISM频率分配在这个范围内。ITU-R正在进展“识别”特定的频率,但这未必是公认的世界各地,让各国允许使用。这不是理想的汽车制造商,因为这将意味着WPT充电可用于一些车辆在某些国家,而不是其他人的。

WPT无线电设备

在欧洲和其他地区,当WPT设备使用调制(或任何其他通信/测定技术)来交换信息和负载的电源频率,它被认为是无线电设备。如果WPT设备使用一种交流信息的沟通除了电源频率,如蓝牙或无线个域网,最终产品仍然被认为是无线电设备,但由于WPT频率本身并不是沟通,它被认为是一个ISM设备。

产品适用与FCC指南

北美加拿大-美国(FCC) /(产品适用)

有意的散热器,传输信息必须注册在适当的联邦通信委员会(FCC) 15部分规则,并将通常需要一个设备的认证。WPT设备可能在两种不同的经营模式:充电和通讯。设备有可能批准下18一部分收费模式和15部分通信模式如果设备明显符合相关规则部分和函数是独立的。18一部分消费设备可以使用认证或授权供应商符合性声明(SDoC),一旦适当的射频暴露评估已经完成。

WPT的新标准应用程序正在进行中在ANSI (C63.30)和将在2021年末或2022年初发表。虽然这仍在发展,这个描述了FCC的现状。

FCC指南无线电频率(RF)曝光

FCC的知识数据库(KDB)指南680106州设备专门用于无线电力传输或感应充电要求FCC指导频率暴露评估。这包括18部分设备。责任方可能是必要的(在大多数情况下,制造商)寻求支持从FCC特定WPT设备通过提交KDB调查。

如何进行FCC批准呢

在U。年代,产品制造商必须寻求指导从FCC提交无线充电应用调查,除非设备满足要求每KDB 680160第五节中列出下面的列表。医疗设备不介绍下韩国产业银行680160,所以需要对这些设备在个案基础上。

要求每KDB引用680160年第5部分:

1. 电力传输频率小于1 MHz。
2. 从每个初级线圈输出功率小于或等于15瓦。
3. 传输系统只包含单一初级和次级线圈。这包括充电系统,可能有多个初级线圈和客户可以检测并允许个人对线圈之间的耦合只。
4. 客户端设备直接接触器被放置。
5. 只移动接触条件(便携式曝光条件不受排斥)。
6. 设备周围的总磁场强度在15厘米,20厘米的顶面以上所有同步传输线圈了小于50%的MPE的极限。

FCC的调查应包括以下几点:

• 完整的产品描述,包括线圈直径、匝数和电流
• FCC规则(s)部分设备将操作和选择规则的基础部分(s)
• 计划设备(即授权过程。,SDoC或认证)
• 图纸,插图
• 操作的频率
• 辐射功率
• 操作配置
• 人类接触条件

在加拿大的射频接触的指导方针

加拿大采用不同的方法为无线感应充电设备射频接触,分离产品和子组件分成三个类型类别/无线电标准规范216 (rss - 216,问题2,修正案,2020年9月,无线电力传输设备):

• 类型1:不传输任何情报,不需要认证
• 类型2:类别II广播——包括在WPT调制频率但免除认证
• 类型3:类别我广播——需要认证

WPT设备还必须遵守健康加拿大的安全代码6射频暴露。当评估合规,所有必须在最大功率发射机。这包括那些不用于权力交接。

EMC合规为无线充电设备

FCC,散热器需要测试和认证的相关部分下FCC部分15 c (15.225 15.209 FCC, FCC,等等)如果是用于电信应用程序涉及到数据的传输。FCC允许部分18没有情报传播,如在射频是用来执行工作的情况下加热、焊接、治疗的材料,和充电。只有在特定情况下,意味着非常有限,充电状态(但不是温度)允许通过部分18传播。

要求每KDB 680160第二节引用

如果系统使用负载阻抗,也称为负载调制,在客户端设备的基本传输频率负载管理的唯一目的,这些系统可能是授权下一部分18。必须整体负载调制传输系统必须使用电源管理和控制,只有在需要启用安全高效运行。有效应用包括过电压快速关闭反应条件下,充电状态的报告,无效的识别设备。

负载调制设备授权下一部分18日不得用于任何其他信息交流,如充电设备的优先级或扩展系统数据的传输,图像或音乐。执行这些功能的设备,15 - 18部分需求必须满足设备的批准。同样,设备使用680106 D01射频接触无线充电应用v03第2页二级频率负载管理,控制,和数据功能必须授权根据15和18个部分要求,适当的。

加拿大,每个rss - 216,设备没有通信能力将测试冰- 001,它引用CISPR 11组2。与通信设备将被测试相关产品标准(rss - 210, rss - 310,等等)。

欧洲- CE标记/ UKCA

就像在美国和加拿大,系统只执行无线电力传输和其他无线通信传输不属于欧盟的无线电设备指令(红色)。然而,任何形式的交流,如负载调制,将由红色。

电磁波在空间传播的产品,但不用于无线电通信或无线电定位不被红色覆盖。这些产品包括:

• 归纳变暖或加热设备(包括厨具)
• 纯无线电力传输(不含任何通信和无线电定位)
• 高频外科手术设备
• 测试设备,如果打算使用无线电波专门为测试其他设备

这反过来影响标准是用来证明合规,并确定需要公告机构。产品下降的范围下电磁兼容指令/法规将评估产品对EN 55011年的欧洲版本CISPR 11。这个标准涵盖ISM产品和专门为WPT设备不满足需求沟通。因为这种类型的产品将被归类为主义的产品,他们需要操作一个ISM频率或满足通用产品排放限制。有有限数量的ISM频率在整个世界,然而,因此他们不是真正的和谐,仔细考虑这些频率是非常重要的。

WPT的设备做交流电源频率被认为是无线电通信设备,因此受到一组不同的监管要求,虽然两路线考虑有害干扰和安全问题。适用的标准是由欧洲电信标准协会(ETSI),这是欧洲电信标准组织设备。EN 300标准EN 303 417和330都可用于制造商证明他们有效的利用频谱需求(3.2条)。如果没有标准显然适用于制造商的特定产品,制造商可以选择使用服务的通知/指定的身体,将使用其他方法来演示符合“基本要求”的指令或法规。这是一个更复杂的过程,因为制造商将需要证明他们的产品满足基本要求,可以避免有害干扰而不依赖于预先设置的参数提供了一个标准。

EMC需求也适用,EN 301 489 - 1/3通常适用于证明产品按预期的方式工作(即在制造商规范)在其电磁环境。

在欧洲,射频接触问题属于安全要求(相对于北美,他们被认为是一个射频要求)。设备必须符合要求的国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)和无线电设备必须满足3.1条指令/规定。通常证明这个合规使用国际标准已经转换成等价的一个欧洲EN等50566年,在50663年,EN62311,或EN62233;确切的标准取决于应用程序。

未来的无线电力传输的监管环境

自从WPT产品的监管环境变化在世界各地,许多不同的监管条件必须满足的产品分布全球。这些条件包括专用标准,提供一个清晰的路线符合模糊和模棱两可的需求。也有不同的分类方法相同的技术,它是一个无线电设备或ISM产品吗?也许WPT产品将最终成为自己的类别。

ITU-R已经带头在试图建立专用频段WPT当前并不存在。试图解决和指定新的频率分配不干扰现有的分配,同时支持高效利用频谱是一个微妙的工作。这个工作是费时的,不会结束一段时间了,但现在用户希望WPT技术的便利。

北美(FCC和适用)有一个明确的路线,建立合规,但这只是厂家的解决方案的一部分打开全球市场。合规制度以来的欧洲法规显得更加放松主要是基于交代问题,但制造商需要执行风险评估和开展他们自己的研究,以确保产品不会造成有害干扰。反过来,这导致不同的解释要做什么,每一个制造商最终采取了不同的方法。

ETSI和接受目前的调查不同的WPT技术共存的研究中,但考虑到缓慢的过程收集数据并发布新标准的满意度下的欧盟委员会(European Commission)红色,他们的过程也不会结束一段时间了。在此期间,通知身体运作监控快速变化的景观,协调需求和确保制造商提供有效的证据使用的频谱(汇无线电设备的指令。