移動終端無線充電裝置的異物充電性能檢測技術研究

陳云華 李鵬忠 盧潤達

（威凱檢測技術有限公司 廣州 510663）

1 無線充電技術概況

無線充電技術是指無線充電器通過非物理接觸的方式將電能傳輸給可充電設備的電能傳輸技術。該技術具有無布線、可靠性高、維修方便等優(yōu)勢，當前已越來越受到學術界和工業(yè)界的重視。根據最近的研究報告表明，預計到2022年，無線充電技術的市場規(guī)模將達到112.7億美元[1]。如圖1所示，該技術已經逐漸應用于生活和工業(yè)當中，如應用在RFID射頻識別技術、移動電話無線充電裝置、無線充電樁車載系統(tǒng)等。

圖1 無線充電技術的應用

2 無線充電技術原理

目前，無線充電的方式主要有電磁式、磁共振式、無線電波接收式等。電磁感應是移動終端無線充電設備常見的產生電能方式。它的發(fā)電原理是基于電磁感應現(xiàn)象。當電流通過線圈時，發(fā)射線圈和接收線圈構成電磁禍合電感器。由于發(fā)射端交流電的不斷振蕩，從而產生磁場形成電壓，最終產生電流，以供移動設備充電使用。

電動勢與磁通量換算公式為：

式中e為閉合線圈中的感應電動勢，為時間變化中的磁通量，N是閉合線圈的匝數(shù)。

閉合線圈中產生的感應電場：

上式中C為線圈，E為電場強度。

根據上述分析，通過電磁感應接口電路出來的直流電，可以直接接入移動終端充電電路的電流輸入端，經過濾波穩(wěn)壓處理，生成穩(wěn)定的直流電，其通過充電控制器對移動終端鋰電池充電[2]。圖2為移動終端充電的系統(tǒng)總框圖。

圖2 移動終端充電的系統(tǒng)總框圖

3 異物對移動終端無線充電裝置的影響

3.1 異物的簡介

在移動終端進行無線充電的過程中，可能會有各種異物（如紙屑、各金屬等）混入無線傳輸充電區(qū)域。其中金屬異物的磁導率和電導率較高，混入無線傳輸充電區(qū)域中，發(fā)生渦流效應，金屬表面溫度上升，導致周圍易燃物點燃而引起火災，必然造成危害最大，從而影響移動終端無線充電裝置的充電效率和安全性。

在高頻電磁場作用下，金屬異物混入移動終端無線充電能量傳輸區(qū)域時會產生一系列電磁現(xiàn)象。根據金屬特性分析，金屬導電性能與電磁性能可以參考以下三個特性，磁導率μ、電導率γ和反介電常數(shù)ε。其中金屬的電導率γ體現(xiàn)其導電性，磁導率μ反應其導磁性，介電常數(shù)ε反應其極化性。根據物理學公式，磁導率μ和介電常數(shù)ε有式（3）關系，式中c為真空中的光速[3]：

根據金屬的磁導率μ特性不同，可把金屬材料視為以下兩類。第一類是當金屬磁導率μ接近1，電導率γ相對較大時，為非鐵磁性金屬，此時該金屬異物在移動終端無線充電能量傳輸區(qū)域主要發(fā)生渦流效應，磁效應可忽略不計；第二類是當金屬的磁導率μ和電導率γ都很大，為鐵磁性金屬，此時該金屬異物在移動終端無線充電能量傳輸區(qū)域不僅發(fā)生渦流效應又產生磁效應。

在室溫下，鐵磁性金屬主要有鐵，鈷，鎳和釓等有四種元素構成的金屬材料具有良好導磁性。在沒有外加磁場的情況下，鐵磁性金屬中內部各分子電流所產生的磁矩，可視為零磁矩，此時是非磁性的。但是，當置于磁場中時，鐵磁性金屬的內部分子會被外部磁場進行磁化，此時是磁性的。特別是對于一些鐵磁性材料，即使磁化后去除外部磁場，材料內部仍然有大量的剩磁。非鐵磁性金屬一般為有色金屬且不能被磁化，如銅、鋁、鎂、鋅等元素構成的金屬材料。

3.2 置于移動終端無線充電裝置的金屬異物溫升

在生活中，電磁加熱金屬的應用范圍較大，交變流電通過導體線圈會產生方向變化的交變磁場，這種現(xiàn)象被稱為電磁感應。此時導體處于交變磁場，內部載流子在交變磁場作用下進行有規(guī)律的運動，從而產生渦流，渦流的效果使得金屬的溫度迅速上升，實現(xiàn)了加熱功能，這就是渦流效應[4]。渦流效應在現(xiàn)實生活中得到了廣泛的應用，比如，電磁爐的加熱方式就是因為線圈在控制電路的作用下產生中頻的交變磁場，通過磁導(鐵)鍋產生大量的強渦流，從而獲得巨大的熱量，然后用來加熱食物。

金屬的渦流效應在生活中帶給人們不少便利，如電磁爐，金屬探測儀等等，但在另一方面，金屬的渦流效應在某些在環(huán)境中會給生活帶來一定危害。將一片金屬片置于無線充電裝置傳輸區(qū)中，金屬片表面溫度急劇上升，對安全充電、效率造成影響。在實驗中，觀測放置在移動終端無線充電裝置傳輸區(qū)域的鐵片表面溫升情況，使用MX100溫升圖表記錄儀表面記錄記錄金屬表面的溫度變化情況。本實驗所用平臺為應用于網易移動終端無線充電設備。將邊長20 mm、厚度1 mm方形鐵片放置在無線電能發(fā)射線圈表面，記錄不同時刻金屬表面溫度，繪制溫度變化曲線如圖3所示。

由圖3得出，放置在輸入功率為5 W的移動終端無線充電裝置傳輸區(qū)域中，金屬片表面溫度在半小時內急劇上升至80.2℃。從而得知，若在輸入功率幾百瓦，甚至幾千瓦無線充電設備中放置一塊金屬片，其金屬表面溫度上升將會更加迅速及劇烈。此時試想一下金屬板附近如有易燃物質材料（紙屑、樹枝落葉等），則極易引起火災事故，對人民的生命財產安全造成極大的安全隱患。

圖3 金屬片表面溫度

4 異物檢測實驗

實驗中采用不同直徑、材質和厚度的異物伴隨電子負載進行實驗，分別進行充電過程中的異物溫度及無線充電裝置參數(shù)檢測實驗。分別將邊長20 mm、厚度0.5 mm方形鐵片，邊長20 mm、厚度1.5 mm方形鐵片，邊長20 mm、厚度1 mm方形鐵片，邊長30 mm、厚度1 mm方形鐵片，邊長10 mm、厚度1 mm方形鐵片，邊長20 mm、厚度1 mm方形銅片、邊長20 mm、厚度1 mm方形鋁片和邊長20 mm、厚度1 mm方形白紙與負載放置在移動終端無線充電裝置傳輸區(qū)域表面，記錄不同時刻金屬表面溫度，詳細參數(shù)數(shù)值見表1和繪制溫度變化曲線如圖4～圖12所示。

由圖4～圖12和表1中記錄溫升曲線和參數(shù)可以看出，金屬鋁片、銅片和紙片放置在移動終端無線充電裝置能量傳輸區(qū)的溫升相對較低，根據GB 4943.1-2011標準條款4.5要求[5]，會被接觸到的金屬表面溫度不高于70 ℃的對使用人員的危害較小。金屬銅片、鋁片和鐵片的溫度差異主要是由于金屬之間特性有差異，因為鐵片是鐵磁性金屬，其磁導率μ和電導率γ都相對銅片和鋁片較高，從而其在線圈磁場中能量轉化率較高，導致在短時間內積累了大量的熱量，使金屬表面溫度迅速上升，并且鐵片的面積和厚度越大，其金屬表面溫度則越高。對于銅片和鋁片，為非鐵磁性金屬，其熱效率低，金屬表面溫度造成的危害相對較小；另外由于金屬的渦流效應，部分電能消耗在金屬上，導致無線電能傳輸功率和效率受到一定影響。這也證明異物對無線充電裝置存在一定安全隱患。

圖4 溫度變化曲線（正常工作）

圖5 溫度變化曲線（邊長20 mm、厚度0.5 mm方形鐵片）

圖6 溫度變化曲線（邊長20 mm、厚度1.5 mm方形鐵片）

圖7 溫度變化曲線（邊長20 mm、厚度1 mm方形鐵片）

圖8 溫度變化曲線（邊長30 mm、厚度1 mm方形鐵片）

圖9 溫度變化曲線（邊長10 mm、厚度1 mm方形鐵片）

圖10 溫度變化曲線（邊長20 mm、厚度1 mm方形銅片）

圖11 溫度變化曲線（邊長20 mm、厚度1 mm方形鋁片）

圖12 溫度變化曲線（邊長20 mm、厚度1 mm方形白紙）

表1 無線充電裝置及異物參數(shù)

5 總結與展望

無線充電技術是目前電子設備的創(chuàng)新發(fā)展方向，盡管現(xiàn)在技術尚未成熟，且距離問題是無線充電技術不得不面對一大難題，但這項技術對我們的生活也有很大的改變。本文講述了移動終端無線充電裝置在充電時，當混入各種異物時，對移動終端無線充電裝置的安全使用和性能是否受到一定的影響，大部分外來因素都會對無線充電產生一定程度的影響，如充電效率、溫度過高等。其中，金屬材料的異物尤為嚴重。由于金屬的渦流效應，它的表面溫度會急劇上升，所以當遇到環(huán)境周圍存放較多易燃材料時，從而引起火災，給人們的生命財產安全帶來很大的安全隱患。

雖然本文就金屬等異物對無線充電裝置在充電時現(xiàn)象進行檢測及分析，但充電實驗過程中，可能由于材料的材質密度、質量等因素影響，對本次實驗數(shù)據的可靠性造成影響，本文對僅對常規(guī)的移動終端無線充電裝置進行評測，未考慮生活中各種復雜情況的發(fā)生，后續(xù)仍需研究與完善。