無(wú)線充電技術(shù)

摘 要： 對(duì)無(wú)線充電技術(shù)的基本原理與特點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明，并對(duì)基于不同原理的無(wú)線充電技術(shù)優(yōu)劣進(jìn)行比較。結(jié)合目前無(wú)線充電三種基本標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議對(duì)無(wú)線充電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。

關(guān)鍵詞：無(wú)線充電，電磁感應(yīng)，電磁共振，電磁輻射，標(biāo)準(zhǔn)

中圖分類號(hào)：N04；TN92；TM72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-8578（2014）S1-0171-03

Wireless Charging Technology

ZHANG Miao

Abstract： This essay explained and comparedthe basic principles and characteristics of main wireless charging technologies， and introduced status quo of the wireless charging technology， based on the current three wireless charging protocols .

Keywords：wireless charging， electromagnetic induction， electromagnetic resonance， electromagnetic， standard

收稿日期：2014-06-20

作者簡(jiǎn)介：張苗（1975—），女，河南溫縣人，學(xué)士，助理研究員，從事光電領(lǐng)域的專利審查。通信方式：zhangmiao@sipo.gov.cn。

無(wú)線充電是指在不借助金屬導(dǎo)線以及其他物理連接的條件下，以空氣為介質(zhì)進(jìn)行電能傳輸，為設(shè)備進(jìn)行充電，相對(duì)于傳統(tǒng)電能傳輸充電的方式，無(wú)線充電電能從發(fā)射端到接收端無(wú)須金屬導(dǎo)電接觸，大大提高了用電設(shè)備的靈活性。本文將對(duì)無(wú)線充電基本技術(shù)和現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。

一 無(wú)線充電技術(shù)的原理

1890年，克羅地亞物理學(xué)家尼古拉·特斯拉提出：以地球?yàn)閮?nèi)導(dǎo)體，地球電離層作為外導(dǎo)體，在地球和電離層之間建立低頻共振，利用環(huán)繞地球的表面電磁波來(lái)遠(yuǎn)距離傳輸電力。這一大膽的設(shè)想最終由于缺乏經(jīng)費(fèi)、危險(xiǎn)系數(shù)過(guò)高等原因終止，但是在理論上這一方案具備可行性。隨著各項(xiàng)技術(shù)的成熟和無(wú)線充電需求的增加，無(wú)線充電技術(shù)有了質(zhì)的飛躍，它已經(jīng)從當(dāng)初的概念設(shè)想逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，目前的無(wú)線充電主要基于以下三種原理[1]。

1.電磁感應(yīng)式充電

電磁感應(yīng)現(xiàn)象由法拉第于1831年發(fā)現(xiàn)，其主要原理是由于磁通量變化而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。電磁感應(yīng)式充電就建立在電磁感應(yīng)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，基于電磁感應(yīng)原理，電流流過(guò)線圈時(shí)將產(chǎn)生磁場(chǎng)，此時(shí)，將另一未通電的線圈置入該磁場(chǎng)中，在該線圈中就會(huì)產(chǎn)生電流。

典型的電磁感應(yīng)式無(wú)線充電系統(tǒng)通過(guò)利用一對(duì)線圈之間的電磁感應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)充電，包括發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)。發(fā)射系統(tǒng)主要包括充電座部件中的內(nèi)置線圈，將該充電座插入插座接通電源，交流電通過(guò)發(fā)射線圈從而產(chǎn)生磁場(chǎng)，由電子設(shè)備內(nèi)內(nèi)置的接收系統(tǒng)所包括的接收線圈接收到所產(chǎn)生的磁場(chǎng)后產(chǎn)生電磁感應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，所產(chǎn)生的感應(yīng)電流經(jīng)過(guò)整流后為電子設(shè)備充電[2]。

2.電磁共振式充電

共振是一種高效的能量傳輸方式，高音歌唱家歌唱時(shí)可以震碎玻璃杯就是人們所熟知的共振現(xiàn)象。電磁共振方式的原理與這一共振現(xiàn)象相似，它利用電流通過(guò)線圈產(chǎn)生同頻率的磁場(chǎng)共振來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線供電，傳輸距離和效率由磁場(chǎng)的強(qiáng)弱決定。

典型的電磁共振式無(wú)線充電系統(tǒng)包括能量發(fā)送裝置和接收裝置，通過(guò)使能量發(fā)送裝置和接收裝置內(nèi)的線圈具有相同振動(dòng)頻率，將線圈調(diào)校為磁共振系統(tǒng)并排列在磁場(chǎng)中，發(fā)送端與電源連接，發(fā)送端產(chǎn)生的振蕩磁場(chǎng)頻率與接收端線圈的固有振動(dòng)頻率相同從而在接收端產(chǎn)生共振，實(shí)現(xiàn)能量的傳播。

3.無(wú)線電波式充電

該方式主要采用微波進(jìn)行電能傳輸，微波指頻率在30MHz到300MHz之間的電磁波。電磁波俗稱無(wú)線電波，是廣播、電視和現(xiàn)代通信技術(shù)的基礎(chǔ)，它除了傳輸信號(hào)之外，還可以傳輸電能，其中微波的能量傳輸能力最強(qiáng)。微波輻射式充電的基本原理類似于早期使用的礦石收音機(jī)，通過(guò)接收空間傳輸?shù)奈⒉ㄟM(jìn)行充電。

典型的微波輻射式充電系統(tǒng)包括微波發(fā)射裝置和微波接收裝置，微波發(fā)射裝置為直接插入市電插座的電子設(shè)備，微型接收端嵌入被充電電子設(shè)備內(nèi)，對(duì)發(fā)送器發(fā)出的安全的低頻電磁波進(jìn)行捕捉。

4. 三種充電方式的比較

前文介紹了目前主要的三種充電方式原理，其中電磁感應(yīng)式充電利用線圈感應(yīng)進(jìn)行能量傳輸，傳輸?shù)木嚯x較近，基本上為厘米級(jí)別，要求充電器和被充電設(shè)備的距離越近越好，并且接收線圈和電路之間需要進(jìn)行屏蔽，現(xiàn)有的產(chǎn)品多為將電子設(shè)備放置在充電器平板表面進(jìn)行充電的形態(tài)，適用于幾瓦到幾百瓦的功率。

電磁共振式充電理論上可以傳輸大功率的設(shè)備，傳輸距離一般為幾米的范圍，但是由于該項(xiàng)技術(shù)要求以特定的頻率進(jìn)行能量傳輸，因此需要設(shè)定特定頻率進(jìn)行保護(hù)，并且對(duì)線圈尺寸具有要求，如果線圈尺寸過(guò)小，接收端接收到的功率將大幅減小。

微波輻射式充電的傳輸距離最遠(yuǎn)，但是由于微波輻射式傳輸存在巨大的空間路徑損耗，因此該充電技術(shù)的傳輸功率小，僅能傳輸小于100毫瓦的功率，僅適用于功率非常小的電子設(shè)備。

二 無(wú)線充電技術(shù)現(xiàn)狀

隨著各項(xiàng)技術(shù)的成熟和無(wú)線充電需求的增加，無(wú)線充電技術(shù)的領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。在其最初針對(duì)的低功耗便攜式電子產(chǎn)品領(lǐng)域已經(jīng)獲得了很好的成果，包括蘋果、諾基亞等著名生產(chǎn)廠商已經(jīng)推出了多款針對(duì)手機(jī)等電子產(chǎn)品的無(wú)線充電產(chǎn)品。在醫(yī)療器械領(lǐng)域，植入式醫(yī)療電子產(chǎn)品的無(wú)線充電日益成為研究熱點(diǎn)，在心臟起搏器、內(nèi)窺鏡等應(yīng)用方面得到了積極的發(fā)展。在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，電動(dòng)汽車、動(dòng)車等以電能為能源的交通工具也日益成為新的焦點(diǎn)。

然而，目前無(wú)線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，Qi標(biāo)準(zhǔn)、PMA標(biāo)準(zhǔn)和A4WP標(biāo)準(zhǔn)作為目前三種最重要、最主流的標(biāo)準(zhǔn)[3]，呈現(xiàn)三強(qiáng)爭(zhēng)霸的格局，這三種標(biāo)準(zhǔn)分別基于電磁感應(yīng)式和電磁共振式兩種不同的無(wú)線充電原理，在兼容性、充電便利性等方面各有優(yōu)劣。

Qi標(biāo)準(zhǔn)由成立于無(wú)線充電聯(lián)盟WPC推出，該聯(lián)盟包括了包括三星、華為等多家主要手機(jī)、手機(jī)配件供應(yīng)商。Qi標(biāo)準(zhǔn)主要基于電磁感應(yīng)式充電技術(shù)進(jìn)行輸電。這一標(biāo)準(zhǔn)為無(wú)線充電提供了統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，包括了性能、接口和法規(guī)三方面的內(nèi)容，現(xiàn)階段該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)裝置的要求為5W以下（手機(jī)產(chǎn)品正好處于這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)），符合該標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的產(chǎn)品將可以在任何一個(gè)符合該標(biāo)準(zhǔn)的充電器上充電，從而提高了不同品牌不同產(chǎn)品之間的兼容性。

PMA標(biāo)準(zhǔn)由寶潔與Powermat公司合資經(jīng)營(yíng)的Duracell Powermat公司發(fā)起，其主要成員包括AT&T、Google和星巴克等公司，目前許多主流手機(jī)生產(chǎn)廠商，例如三星、華為等也同樣是PMA標(biāo)準(zhǔn)成員，這一標(biāo)準(zhǔn)同樣主要基于電磁感應(yīng)式充電技術(shù)進(jìn)行輸電。該標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)是為符合IEEE協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)的手機(jī)和電子設(shè)備打造無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)，其支持提供在設(shè)備內(nèi)建無(wú)線充電芯片和采用WiCC無(wú)線充電卡兩種方式進(jìn)行充電。其中WiCC方式只需將無(wú)線充電卡片安裝放置在手機(jī)的電池旁即可讓沒(méi)有內(nèi)置無(wú)線充電晶片的智能手機(jī)完成升級(jí)實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電。

A4WP標(biāo)準(zhǔn)由美國(guó)高通公司、韓國(guó)三星公司和無(wú)線充電技術(shù)公司Powermat公司成立聯(lián)盟創(chuàng)建，這一標(biāo)準(zhǔn)主要基于電磁共振式充電技術(shù)進(jìn)行輸電，該標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)是為電子產(chǎn)品無(wú)線充電設(shè)備設(shè)立技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)對(duì)話機(jī)制，由于該標(biāo)準(zhǔn)采用電磁共振式充電技術(shù)，因此可以實(shí)現(xiàn)略遠(yuǎn)距離的無(wú)線充電，并且所針對(duì)的產(chǎn)品范圍也更為廣泛，包括了從便攜式電子產(chǎn)品到電動(dòng)汽車的多個(gè)領(lǐng)域，在充電時(shí)可提供更大的自由度，不需要將設(shè)備擺放在充電基座上。

三 結(jié) 語(yǔ)

目前無(wú)線充電技術(shù)仍然處于起步階段，設(shè)備的經(jīng)濟(jì)成本投入較高，維修費(fèi)用大。并且由于無(wú)線充電技術(shù)是二次能源轉(zhuǎn)換，因此電磁的空間磁損率較大。此外，對(duì)于無(wú)線充電設(shè)備的電磁輻射是否對(duì)生物產(chǎn)生不利因素目前也尚無(wú)定論。

但是無(wú)線充電技術(shù)可以使電子設(shè)備不再受手機(jī)和有線充電器接口匹配的限制，大大增加了方便性。由于充電器和手機(jī)之間充電時(shí)不需要導(dǎo)電體的物理連接，從而可以在潮濕等特殊條件下應(yīng)用，提高了安全性。而且由于無(wú)線充電器可以自動(dòng)識(shí)別不同設(shè)備的能量需求，因而其比傳統(tǒng)充電器更加智能。

目前無(wú)線充電技術(shù)面臨主要問(wèn)題包括建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行部署。未來(lái)無(wú)線充電技術(shù)有望在全行業(yè)的協(xié)調(diào)推進(jìn)下促進(jìn)充電設(shè)施和充電器進(jìn)入普通商戶和家庭，其將有長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展和技術(shù)應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 王傳亮，解大勇. 無(wú)線充電技術(shù)簡(jiǎn)介及其監(jiān)管機(jī)制思考[C]//中國(guó)通信學(xué)會(huì).2011全國(guó)無(wú)線及移動(dòng)通信學(xué)術(shù)大會(huì)論文集. 中國(guó)通信學(xué)會(huì)，2011：5.

[2] 劉剛，鄭青玉，王德釗. 一種基于電磁感應(yīng)的無(wú)線充電方法[J]. 北京信息科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013（2）：51-54.

[3] 張召林.無(wú)線充電技術(shù)的三大主流標(biāo)準(zhǔn)：PLA、Qi和A4WP[EB/OL]. [2014-05-14].http：//www.leiphone.com/1114-zzl-pla-qi-a4wp.html.2012-11-14.