無線充電技術(shù)原理及應(yīng)用淺析

畢建忠 葉天國

摘要：無線充電技術(shù)是一種不基于電力線，通過電磁技術(shù)進行設(shè)備充電的技術(shù)。無線充電技術(shù)起源于無線電力輸送技術(shù)，以磁共振為輔助在充電器與設(shè)備間的空氣中進行電荷傳輸，以此線圈與電容器便可在充電器與設(shè)備間產(chǎn)生共振，進而實現(xiàn)電能資源的高效快速傳輸。本文主要對無線充電技術(shù)原理、無線充電器系統(tǒng)，以及無線充電技術(shù)的應(yīng)用進行了詳細分析。

關(guān)鍵詞：無線充電技術(shù);無線充電器系統(tǒng);電動車;智能手機

中圖分類號：TP393? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）27-0219-0c

無線充電技術(shù)是不以任何金屬導線或物理介質(zhì)為載體，通過電磁感應(yīng)、共振、射頻、激光發(fā)射、微波輻射等多元形式，基于空氣介質(zhì)，實現(xiàn)電能傳輸?shù)男滦图夹g(shù)。不同于傳統(tǒng)有線充電方式，無線充電不需借助充電端子與線路，其安全性與便捷性都十分突出。在我國現(xiàn)代化技術(shù)不斷更新發(fā)展的趨勢下，無線充電技術(shù)在電能轉(zhuǎn)化效率與輻射量等方面都實現(xiàn)了突破性發(fā)展。目前無線充電技術(shù)已實現(xiàn)了在家具家電、電動車、醫(yī)療、航空等各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，在未來也將會擴展到更多領(lǐng)域[1]。

1 無線充電技術(shù)原理

無線電力能源可理解為小型線圈式變壓器，在兩個接近的線圈，一個通入交流電的時候，另一個便會生產(chǎn)感應(yīng)電流，將感應(yīng)電流整流穩(wěn)壓，以此提供電能。整個無線充電系統(tǒng)包含兩部分，即基于插座的發(fā)信器;整合于電子產(chǎn)品的接收器，只要在既定范圍內(nèi)，電能便可快速自發(fā)性傳輸于對應(yīng)接收器。

1.1 電磁感應(yīng)式

電磁感應(yīng)式無線充電技術(shù)是起步最早，發(fā)展最為成熟的無線充電技術(shù)，其根本原理在于，發(fā)送端與接收端各自具備獨立線圈，發(fā)射端的線圈連接有線電源，生成電磁信號，接收端線圈感應(yīng)電磁信號，以生成電流傳輸?shù)叫璩潆娫O(shè)備，工作原理類似于變壓器，都是以電磁感應(yīng)為載體。電磁感應(yīng)式無線充電技術(shù)的優(yōu)勢是，輸出功率比較大，可高達幾瓦、幾十瓦、幾百瓦，可全面滿足小功率電器充電需要;且傳輸距離比較短，控制于1cm以內(nèi);制作成本偏低，技術(shù)發(fā)展成熟;環(huán)境適應(yīng)能力較強，極具穿透性。但是，也存在一定不足，即充電的效率相對偏低，無法滿足大功率設(shè)備充電需要，且傳輸距離太短。

1.2 磁共振式

磁共振式無線充電技術(shù)原理類似于聲音共振原理。相同音叉，在其中一個音叉發(fā)聲時，由于振動頻率相同，其他音叉也會隨之發(fā)聲。相同振動頻率線圈排列于磁場，在其中一個音叉供電后，便會產(chǎn)生磁場，以實現(xiàn)向其他線圈供電。與電磁感應(yīng)式無線充電技術(shù)對比，此技術(shù)通過共振原理可在一定程度上延長傳輸距離。磁共振式無線充電效率則可以達到上千瓦，傳輸距離在理論上可達到上千米，還可一對多同時充電。但是也存在一定缺陷，即充電轉(zhuǎn)化率較低，設(shè)計難度大，維護成本較高等，導致磁共振式無線供電技術(shù)應(yīng)用尚未實現(xiàn)大范圍普及[2]。

1.3 電場耦合式

電場耦合式無線充電技術(shù)不同于其他技術(shù)，主要沿垂直方向耦合兩組非對稱偶極子產(chǎn)生的磁感電場進行電能傳輸，抗水平錯位能力相對較強。電場耦合式無線充電技術(shù)傳輸功率大約在1-10W，因為存在間隙，在 極板間，能量功率損耗過大，所以無法實現(xiàn)大功率電能傳輸。傳輸距離最高只能達到幾厘米，效率最優(yōu)狀態(tài)為70-80%，比較適合短距離充電。發(fā)射端與接收端位置可處于不固定狀態(tài)，但是因為設(shè)備體積與充電功率的局限性，導致其應(yīng)用范圍并不廣泛。

1.4 無線電波式

無線電波式無線充電技術(shù)的關(guān)鍵在于實現(xiàn)微波能量向電能資源的轉(zhuǎn)化，以無線傳輸電能。不同于其他無線充電技術(shù)，無線電波式無線充電技術(shù)硬件主要是由微波發(fā)射裝置與接收裝置構(gòu)成，可捕捉從墻壁上彈回的無線電波，以此接收能量?？蓪崿F(xiàn)無線充電微波頻率大約在0.3-300GHz之間，在波長不斷變化下，可遠距離無線充電。然而，由于電能轉(zhuǎn)換效率偏低，制造成本較高，導致無線電波式無線充電技術(shù)發(fā)展備受阻礙，尚未實現(xiàn)普及[3]。

2 無線充電器系統(tǒng)

無線充電器系統(tǒng)具體如圖1所示。系統(tǒng)運轉(zhuǎn)過程中，輸入端會把交流市電通過全橋整流電路轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，或者利用直流電端為系統(tǒng)直接性提供電能。通過無線充電器電源管理模塊之后輸出的直流電基于2M有源晶振逆變轉(zhuǎn)化為高頻的交流電供給初級繞組?；陔姼芯€圈耦合能量，次級線圈所輸出電路通過接收器轉(zhuǎn)化電路轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡源藢崿F(xiàn)充電。

3 無線充電技術(shù)連接

就技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀而言，無線充電技術(shù)基于RFID近距離磁場耦合技術(shù)實現(xiàn)建立與發(fā)展，智能手機不需借助軟件更改，便可安裝充電線圈與整流芯片。其中安裝方式具體為：

首先，感應(yīng)線圈與芯片相結(jié)合，構(gòu)成獨立組件。此組件可大可小，小到硬幣，大到可達38×40mm，使用金屬銅線繞制線圈。

其次，智能手機鋰電池周圍框架上添加線圈，稱之為無線充電鋰電池。鋰電池的優(yōu)勢在于安裝便捷，不足也十分突出，由于手機電池屬于金屬件，會阻礙充電電磁波穿透，導致充電效率偏低。

再次，通過立體電路技術(shù)（LDS），基于手機塑膠外殼鐳射天線。

最后，通過柔性電路板（FPC）進行天線組件制造，缺陷是價格較高。優(yōu)勢是柔性好，且輕薄，安裝方便。

4 無線充電技術(shù)的應(yīng)用分析

4.1 電子產(chǎn)品

電子產(chǎn)品實際上就是手機與平板電腦等日常電子產(chǎn)品。在無線充電技術(shù)快速更新發(fā)展的趨勢下，各式各樣的電子產(chǎn)品開始引用無線充電模式。在電子領(lǐng)域，無線充電產(chǎn)品可劃分為兩種，即發(fā)射端與接收端產(chǎn)品，其中發(fā)射端產(chǎn)品的狀態(tài)是無線充電座，接收端產(chǎn)品的狀態(tài)是內(nèi)置于手機、電腦、電動牙刷等小型電子產(chǎn)品中的無線充電線圈與轉(zhuǎn)化電路。不同于傳統(tǒng)充電模式，無線充電模式促使電子產(chǎn)品使用越來越便捷，對于后續(xù)電子產(chǎn)品的優(yōu)化發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實意義。就智能手機而言，其一，外觀上可擺脫有線充電的局限性，手機充電方式造型可簡約化，還可為工業(yè)設(shè)計提供更多可發(fā)揮的想象空間。其二，手機材料選擇多元化，初始階段，無線充電模式會導致金屬機身出現(xiàn)嚴重發(fā)熱現(xiàn)象，極易引發(fā)安全問題，在后續(xù)很長時間內(nèi)，無線充電手機只能采用塑料材料制作外殼，但是高通wipower無線充電模式在很大程度上有效解決了機身發(fā)熱問題。

4.2 電動汽車

電動汽車具有一定的環(huán)保性、節(jié)能性、經(jīng)濟性、噪聲小等獨特優(yōu)勢。在國際消費電子展覽會上，美國展示了無線充電。而國內(nèi)比亞迪等國產(chǎn)品牌在無線充電領(lǐng)域也有所涉及，但是由于續(xù)航能力較差，充電樁有限，導致電動汽車并未得到廣泛認可。然而，無線充電技術(shù)的出現(xiàn)，有望進一步彌補這一不足。據(jù)調(diào)查表明，我國浙江省將構(gòu)建首條超級高速公路，在公路下方預(yù)設(shè)電磁感應(yīng)線圈，汽車可在高速行駛過程中，進行自主充電，從而有效解決了充電樁欠缺問題。無線充電技術(shù)還具備單位投資效益較高與建設(shè)周期較短等優(yōu)勢?；谙嗤顿Y環(huán)境，傳統(tǒng)充電樁則需要占據(jù)較大空間位置。而無線充電技術(shù)在以其自身技術(shù)優(yōu)勢，可在節(jié)約空間的基礎(chǔ)上，同時為多輛電動汽車充電，以此便有效解決了電動汽車充電問題[4]。

4.3 醫(yī)療設(shè)備

現(xiàn)階段，在醫(yī)療技術(shù)逐漸優(yōu)化發(fā)展的趨勢下，可植入設(shè)備已經(jīng)發(fā)展為一大主要方向，在人體內(nèi)植入醫(yī)療設(shè)備，需要高度重視舒適性與安全性。當前，大部分醫(yī)療設(shè)備依舊利用電池提供電能，此類型設(shè)備在更換電池的時候需進行手術(shù)，這樣一來，必然會給患者帶來更多身體痛楚。無線充電技術(shù)可針對植入體內(nèi)的小功率、中功率醫(yī)療設(shè)備實現(xiàn)充電，可有效防止進行二次手術(shù)，從而提高醫(yī)療設(shè)備可靠性與安全性，減少醫(yī)療廢棄料生成，節(jié)能環(huán)保性較為突出。當下，Masaya Watada研發(fā)的左心室輔助裝置供電系統(tǒng)與G.X.Wang研發(fā)的人工視網(wǎng)膜供電裝置，都引用了無線充電技術(shù)，以提供電能，在未來無線充電技術(shù)將會實現(xiàn)在各種醫(yī)療設(shè)備中的廣泛應(yīng)用，進而滿足其安全性與持續(xù)性要求[5]。

5 結(jié)語

總之，作為一大現(xiàn)代化關(guān)鍵技術(shù)，無線充電技術(shù)不僅是科學技術(shù)發(fā)展的主要前提，還是推動電能資源合理利用的重要基礎(chǔ)。無線充電技術(shù)具有其自身的獨特優(yōu)勢，即便捷性、安全性、可靠性、穩(wěn)定性，在無線充電技術(shù)實現(xiàn)廣泛應(yīng)用時，勢必會進一步推進社會經(jīng)濟的突破性變革發(fā)展。但是，就無線充電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀來看，未來還需要采取一定措施，切實解決標準問題，傳輸能效提升，成本縮減等等。相信在科研技術(shù)人員的不斷探索下，無線充電技術(shù)會實現(xiàn)更廣闊、更矚目的發(fā)展。

參考文獻：

[1] 閻江.無線充電技術(shù)及其在電動汽車方面的應(yīng)用研究[J].時代汽車，2018（8）：50-51.

[2] 謝國民，韓劉路，付華，等.無線充電式傳感器系統(tǒng)設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2018，37（3）：99-102.

[3] 江玉婷.電動汽車的無線充電技術(shù)研究[J].工程技術(shù)研究，2017（12）：76-77.

[4] 牛玉潔，冷建偉.應(yīng)用于智能機器人的無線充電技術(shù)研究[J].計算機仿真，2017，34（11）：348-352，403.

[5] 袁浩博.淺析手機無線充電技術(shù)[J].數(shù)字通信世界，2017（9）：191-192.

【通聯(lián)編輯：光文玲】