手機無線充電技術(shù)的研究

劉志強，高大林，薛正躍，黃吉，高國艷合肥工業(yè)大學

手機無線充電技術(shù)的研究

劉志強，高大林，薛正躍，黃吉，高國艷
合肥工業(yè)大學

隨著手機行業(yè)的迅猛發(fā)展，人們對于手機充電技術(shù)的要求也逐漸提高。對傳統(tǒng)的無線技術(shù)進行改進，改造充電器插口，實現(xiàn)快充、閃充，在加快充電速度上力圖滿足市場需求。但是由于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)線的多次抽插會對充電器造成損害，數(shù)據(jù)線長度有限，導致無法實現(xiàn)隨時充電的愿望?；诖?，手機的無線充電技術(shù)再次進入大眾視野。從2012年諾基亞的首臺Lumia系列無線充電手機開始，不到十年的時間，各種無線充電手機令人眼花繚亂。盡管如此，但是目前基于電磁感應(yīng)或者電磁共振方式的無線充電技術(shù)對充電距離仍有嚴格限制，而且存在傳輸效率低、電磁輻射可能對人體造成損害等問題，因此需要進一步對手機無線充電技術(shù)進行探究，尋找合適的解決辦法。

手機行業(yè)；無線充電；傳輸效率；充電距離

基金來源為合肥工業(yè)大學2015年國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目資助，項目名稱：無線電源，項目編號201510359027。

1.引言

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，通信手段日新月異。手機作為信息技術(shù)的寵兒更是獲得了迅猛發(fā)展，但是傳統(tǒng)的有線充電技術(shù)因其受到數(shù)據(jù)線的限制、頻繁拔插導致充電器的損害以及更換電池的繁瑣等不足，已逐漸難以滿足人們的消費要求。進而，無線充電技術(shù)逐漸顯露視野。無線充電技術(shù)擺脫了數(shù)據(jù)線的限制，在限定范圍內(nèi)實現(xiàn)快速充電，兼有移動充電器的功能，但也因其電磁輻射大、充電的效率低、發(fā)熱高等缺點阻礙了無線技術(shù)投入使用。近年來，手機制造商紛紛將目標投向無線沖電技術(shù)，加大科技投入，試圖在無線充電領(lǐng)域成為贏家。對手機無線充電技術(shù)進行了解和進一步探究，有助于我們加深大眾對這一技術(shù)的理解。

2.無線充電技術(shù)

無線充電技術(shù)，又稱為感應(yīng)充電、非接觸性充電，它來源于無線的電力傳輸，曾經(jīng)因傳遞效率低且電磁輻射過大而宣告失敗。手機的無線充電技術(shù)是在手機中植入接收器，將電源產(chǎn)生的磁場能轉(zhuǎn)化成電能，供手機充電。

2.1 無線充電技術(shù)的歷史

提及無線充電技術(shù)，有一位科學家功不可沒--尼古拉·特斯拉，在19世紀末期，尼古拉·特斯拉成功進行了短波無線通訊實驗。到1986年，美國的一位工程師提出在地球外建立太陽能發(fā)電站，以微波的形式將電能傳遞進地球，也就是所謂的“空間太陽能發(fā)電”構(gòu)想。之后十年里，美國航空航天局聯(lián)合能源部提出太陽能計劃，只是因當時國情限制，發(fā)展緩慢，稍后，歐盟和日本也開始加入此行列。從小層面上來說，2007年，麻省理工的研究團隊僅利電源和電磁感應(yīng)器成功將兩米開外的一個60W的燈泡點亮，為無線充電技術(shù)的發(fā)展點亮曙光。2012年諾基亞發(fā)布的兩款智能手機-Lumia920和820打響了手機行業(yè)無線充電技術(shù)的戰(zhàn)役。近年來，擁有無線充電技術(shù)的手機越來越多，也出現(xiàn)了很多問題亟待解決。

2.2 無線充技術(shù)的原理

無線充電技術(shù)原理可分為電磁感應(yīng)和感應(yīng)電動勢。通過提供不斷變化的磁通量，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，完成磁能到電能的轉(zhuǎn)化。無線充電技術(shù)主要包括發(fā)射模塊和接收模塊。首先是發(fā)射模塊的電源提供的交流電經(jīng)由整流濾波轉(zhuǎn)化成直流電，再通過高頻逆變將直流電轉(zhuǎn)換成高頻的交流電，之后經(jīng)由磁芯內(nèi)的初級線圈和次級線圈構(gòu)成的分離變壓器，由接收裝置接收磁能，轉(zhuǎn)化成電能供手機使用。除了上述最為常見的電磁感應(yīng)方式外，還可以通過無線電波和電磁共振的方法進行。

3.手機無線充電技術(shù)的研究現(xiàn)狀

2015年，三星主打手機的無線充電功能，Iphone更是希望在手機殼中放入接收裝備，僅通過更換手機殼就能實現(xiàn)無線充電。而在這一過程中，手機的無線充電技術(shù)經(jīng)歷了幾個發(fā)展階段。第一代的無線充電使用了電磁感應(yīng)技術(shù)，其實就是充電板，將手機無須與數(shù)據(jù)線連接，只要放置于充電板上就可以實現(xiàn)無線充電，但是由于手機背部的接受裝置范圍小，必須實現(xiàn)接收裝置與充電區(qū)域的準確對接才能順利充電，且由于兩級線圈耦合度低，能量傳遞效率不足有線傳遞的70%，因此，這種充電方式需要的時間更長。之后第二代無線充電器從2007年的無線電力傳輸實驗成功獲取靈感，使用電磁共振方式在增加頻率的同時，以藍牙通信取代磁場耦合，實現(xiàn)了充電技術(shù)的穩(wěn)定性和一對多充電的目標。這種充電距離在10cm左右。與電磁感應(yīng)式無線充電相比，磁共振式無線充電的傳輸距離更長且對接收裝置與充電板的對合準確度要求放寬。相應(yīng)地，針對電磁感應(yīng)和電磁共振方式的無線充電技術(shù)標準也先后建立，并在吸取彼此經(jīng)驗的基礎(chǔ)上進行融合、修正。目前最受歡迎的Qi標準就是對電磁感應(yīng)式無線充電技術(shù)的規(guī)定標準，這一標準的能量傳輸效率在70%左右，而且無線充電裝置都具有智能化特點，能將手機接收裝置與充電區(qū)域?qū)?，自動識別手機是否已經(jīng)完成充電，相較于傳統(tǒng)的有線充電技術(shù)更加智能、環(huán)保。這兩種方式下已有多種手機面世，但都未能擺脫充電板的束縛，雖然無須進行數(shù)據(jù)線的拔插，但是依然要求手機在充電時放置到充電板上，嚴格說，這種無線充電技術(shù)依舊難以滿足人們的需求。

4.手機無線充電技術(shù)的發(fā)展方向

盡管通過電磁感應(yīng)和電磁共振方法已經(jīng)生產(chǎn)出了多種可以使用無線充電技術(shù)的手機，但是現(xiàn)實是這種無線充電技術(shù)對距離的限定仍然十分嚴格，大致在10cm數(shù)量級，而且即便再這個范圍內(nèi)，也有著傳輸效率低的問題。這種情況下，電磁波式的無線充電技術(shù)引起人們的向往。利用無處不在的電磁波實現(xiàn)隨時隨地的遠距離充電，真正實現(xiàn)無線充電。但這一技術(shù)傳遞效率低的缺陷會更加明顯。如何提高無線充電技術(shù)的傳輸效率，將現(xiàn)有的閃充、快充技術(shù)與無線充電技術(shù)融合，如何降低無線充電過程中的電磁輻射，減少對人體的傷害，這都是需要進一思考的問題。

5.結(jié)論

無線充電技術(shù)由來已久，從19世紀末尼古拉·特斯拉短波無線通訊實驗的成功開始進入人們視野，到2007年的麻省理工團隊使其曙光再現(xiàn)，之后的不到十年的時間里，手機行業(yè)的無線充電技術(shù)儼然成了眾多手機制造商競相爭奪的領(lǐng)域。通過電磁感應(yīng)、電磁共振已經(jīng)生產(chǎn)出多種手機，但是目前仍存在傳遞效率低、傳遞距離短，無法擺脫充電板束縛等缺點，這些缺點是手機無線充電技術(shù)前進路上的絆腳石，需要手機制造商們加大科研力度，改善現(xiàn)有癥狀，實現(xiàn)真正意義上的無線充電。

[1]孟慶奎.手機無線充電技術(shù)的研究[D].北京郵電大學,2012.

[2]Richard Adhikari,李璐.無線充電技術(shù)2013年或邁入技術(shù)成熟期[J].通信世界,2012（34）：23-23.

[3]劉靖.手機無線充電技術(shù)的研究[J].數(shù)字化用戶,2013（36）.