無線充電技術(shù)的原理與應(yīng)用

葉羽昊

（廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006）

1 無線充電技術(shù)的概念與現(xiàn)狀

無線充電技術(shù)基于無線電能傳輸（Wireless Power Transfer，WPT） 技術(shù)，將電能轉(zhuǎn)化為電磁能、光能、聲能，從而實現(xiàn)電源能量的無接觸傳遞。無線充電技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品、電動汽車、智能家居、工業(yè)等領(lǐng)域。這里簡要介紹電動汽車和手機的情況。

無線充電將為解決電動汽車充電難提供解決方案。2018 年，寶馬公司推出了世界上第一款量產(chǎn)的無線充電汽車，其搭載的無線充電設(shè)備可以在3.5 h充滿容量為9.4 kW·h 的高壓電池組[1]。沃爾沃公司研發(fā)的一項無線充電技術(shù)，充電功率可以超過40 kW，充電速率堪比50 kW 直流快速充電樁，比接線的11 kW 交流充電樁快4 倍左右[2]。以上這些都是靜態(tài)無線充電。而動態(tài)無線充電即對行駛中的汽車進(jìn)行無線充電，目前主要是以充電公路的模式進(jìn)行試驗。在美國康奈爾大學(xué)的一項研究中，車輛駛?cè)胍粋€布滿線圈的車道，即可實現(xiàn)無線充電[3]。2013 年，韓國科學(xué)技術(shù)院（Korea Advanced Institute of Science and Technology，KAIST） 的Cho Dong-ho 教授主持在韓國龜尾市建成了一條長約12 km 的無線充電道路（充電公路），經(jīng)過改造的公交車在這條充電公路上可以一邊行駛一邊充電，充電效率達(dá)到85%，功率可達(dá)100 kW[4]。中國南方電網(wǎng)高級工程師祝文姬于2016 年建造出國內(nèi)第一條為電動汽車進(jìn)行無線充電的車道，目前該車道所能提供的最大功率是30 kW。一部電池容量為24 kW·h 的電動汽車，不到1 h 即可充滿電，續(xù)航可達(dá)到100 km[5]。圖1 為德國亞琛工業(yè)大學(xué)無線充電車道示意圖[6]。

圖1 德國亞琛工業(yè)大學(xué)無線充電車道示意圖

手機無線充電中，配置了無線充電功能的手機，內(nèi)部裝有接收線圈，充電時將手機放置于無線充電底座（內(nèi)有發(fā)射線圈），即可實現(xiàn)無線充電。如果是沒有配置無線充電功能的手機，則需要接連一個無線充電接收器[7]。圖2 為手機無線充電原理示意圖[8]。

圖2 手機無線充電原理示意圖

2 無線充電的原理與模式

目前無線充電的主要模式有電磁感應(yīng)式和磁共振式。電磁感應(yīng)式的基本原理是使導(dǎo)體在變化的磁通量當(dāng)中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而實現(xiàn)電與磁的相互轉(zhuǎn)化。電源的感應(yīng)電動勢的計算公式為

式中：ε 為電源的感應(yīng)電動勢，V；n為線圈的匝數(shù)；Δ? 為磁通量的變化量，Wb；Δt為時間的變化量，s。電磁感應(yīng)又有兩種方法：一是導(dǎo)體棒在磁場中與磁感線相交式地移動；二是將磁體放入線圈之中，上下移動產(chǎn)生電源的感應(yīng)電動勢。

電磁感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)的近距離傳輸效率比較高，隨著距離的增加，其傳輸效率會越來越低，適用于短距離無線供電，如手機充電。圖3 為電磁感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)原理示意圖[9]。

圖3 電磁感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)原理示意圖

磁共振式無線充電系統(tǒng)主要由發(fā)射天線（發(fā)射線圈） 以及接收天線（接收線圈） 等構(gòu)成，基本原理與電磁感應(yīng)式相差無幾。發(fā)射線圈創(chuàng)造一個會變化的磁場，接收線圈則把發(fā)射線圈產(chǎn)生的變動磁場轉(zhuǎn)化為電能。受發(fā)射線圈和接收線圈距離的影響，其傳輸?shù)墓β什粫摺Ｋ饕獞?yīng)用在較遠(yuǎn)距離的無線供電中，如電動汽車充電。圖4 為磁共振式無線充電系統(tǒng)原理示意圖[10]。

圖4 磁共振式無線充電系統(tǒng)原理示意圖

磁共振式無線充電系統(tǒng)應(yīng)用于電動汽車無線充電時，通常采取兩種形式：單級導(dǎo)軌和多級導(dǎo)軌。圖5 為單級導(dǎo)軌原理示意圖。單級導(dǎo)軌只有一套回路，即整個路面上只有一個環(huán)狀的發(fā)射導(dǎo)軌，電網(wǎng)的交流電輸出，使得由導(dǎo)軌圍起來的空間布滿了高頻磁場，通過磁通量的變化來實現(xiàn)電動汽車的無線充電[11]。在此模式下，如果在路面上行駛的車輛較少，整個無線充電裝置所耗費的成本會很高。此外，此裝置不穩(wěn)定，充電效率得不到相應(yīng)的保證。

圖6 為多級導(dǎo)軌原理示意圖。多級導(dǎo)軌指的是路面上有多個線圈（相較于單級導(dǎo)軌，發(fā)射導(dǎo)軌被分割成了多段導(dǎo)軌），每個線圈都會裝上相應(yīng)的變換裝置，當(dāng)電動汽車途經(jīng)某段路面的時候，該路面的線圈就會通上高頻磁場，從而給電動汽車充電。而其他部分（即電動汽車已經(jīng)駛過或未駛?cè)氲穆范危?的線圈，則會保持關(guān)閉狀態(tài)，從而提升整個系統(tǒng)的充電效能。當(dāng)某一導(dǎo)軌出現(xiàn)故障時，其他導(dǎo)軌的正常運行不受影響，這就是單層多級導(dǎo)軌模式。相較于單級導(dǎo)軌，這種模式增加了系統(tǒng)維護(hù)的難度，且并非特別穩(wěn)定。因此，在單層多級導(dǎo)軌模式的基礎(chǔ)上，衍生出了雙層多級導(dǎo)軌模式。

圖6 多級導(dǎo)軌原理示意圖

相比較于單層多級導(dǎo)軌模式，雙層多級導(dǎo)軌模式則是將多段導(dǎo)軌改換成多組導(dǎo)軌[12]，即每組導(dǎo)軌都有一個變換開關(guān)，相互單獨控制，而每組導(dǎo)軌里邊又有多段導(dǎo)軌，根據(jù)自身通過電流的情況，來改變線圈磁場大小，使得線圈系統(tǒng)更加容易維護(hù)，也更加穩(wěn)定。

3 無線充電所使用的材料

目前無線充電的重要部件一般使用軟磁鐵氧體材料，該材料成本較低，卻可以提高磁場強度，提升充電效率和用戶的充電體驗。圖7 為軟磁鐵氧體材料。

圖7 軟磁鐵氧體材料

大部分固定位置型的無線充電器使用釹鐵硼永磁片作為定位的材料（這種無線充電器指的是小型無線充電器，而大型的無線充電器一般用永磁鐵氧體材料來降低成本）。釹鐵硼永磁片體積小，質(zhì)量輕，性價比較高，從而備受制造產(chǎn)業(yè)的青睞。圖8為釹鐵硼永磁片。

圖8 釹鐵硼永磁片

當(dāng)前使用最多的導(dǎo)體材料是銅。表1 為不同導(dǎo)體材料的電阻率。根據(jù)表1 可知，在20 ℃的環(huán)境中，銀的電阻率為1.6×10-8Ω·m，而銅的電阻率為1.7×10-8Ω·m，二者的電阻率相差無幾，而銅的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于銀，因此選用銅作為導(dǎo)體材料是性價比較高的。

表1 不同導(dǎo)體材料的電阻率

4 無線充電的問題及短期解決方案

4.1 問題一：充電效率

目前手機無線充電效率約為80%，主要原因是手機線圈和底座線圈難以達(dá)到完全對準(zhǔn)的狀態(tài)。目前絕大部分手機在進(jìn)行無線充電的時候都沒有引導(dǎo)材料（例如磁鐵等） 來保證手機線圈與無線充電器線圈完美對準(zhǔn)，從而產(chǎn)生過多的熱量，導(dǎo)致了能量的損耗。而在電動汽車的無線充電中，因線圈問題而造成的熱量損失可能會遠(yuǎn)大于手機的無線充電。

短期解決方案：在手機線圈和無線充電器線圈加裝磁性裝置（目前為止有部分品牌的手機已經(jīng)做到），使其更加穩(wěn)定，提高充電效率。根據(jù)式（1），在磁通量的變化率不變的情況下，線圈匝數(shù)越多，電源電動勢越大，功率的計算公式為

式中：P為功率。根據(jù)式（2），在電阻一定的情況下，電源的感應(yīng)電動勢越大，電源輸出功率也就越大。

但是隨之出現(xiàn)的問題依舊是發(fā)熱過大，因此，降低能量的損失十分必要。以下分析討論是根據(jù)環(huán)境溫度保持不變的情況進(jìn)行考慮的。導(dǎo)體電阻的計算公式為

式中：R為導(dǎo)體電阻；ρ 為導(dǎo)體電阻率；L為導(dǎo)體長度；S為導(dǎo)體橫截面積。根據(jù)式（3），在導(dǎo)體橫截面積和導(dǎo)體長度一定的情況下，導(dǎo)體電阻率越小，導(dǎo)體電阻也就越小。表征導(dǎo)體發(fā)熱量的內(nèi)能的計算公式為

式中：Q為內(nèi)能；I為電流；R為導(dǎo)體電阻；t為時間。在電流與時間一定的情況下，導(dǎo)體發(fā)熱量就會因為導(dǎo)體電阻的變小而變小，從而控制能量的損失程度。

由于線圈材料的電阻率影響了線圈電阻大小，因此解決問題的關(guān)鍵是線圈材料，能否找到比銅的電阻率更低并且價格便宜的材料，就是未來的探究方向。

4.2 問題二：電磁輻射

無線充電中電磁輻射帶來的安全問題是人們較為關(guān)注的。隨著科技的進(jìn)步，這些問題被陸陸續(xù)續(xù)地解決，但仍存在使用環(huán)境（例如使用溫度、使用時的電壓與電流等）、不同國家對電磁輻射的安全要求不同等問題[13]。目前對于無線充電的研究側(cè)重于提高充電效率，隨著無線充電技術(shù)的不斷普及，電磁輻射的安全問題應(yīng)引起進(jìn)一步的重視，以實現(xiàn)更為安全的無線充電。

5 無線充電技術(shù)的前景

在電磁感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)方面，成立于2008年的無線充電聯(lián)盟（Wireless Power Consortium，WPC） 制定的國際無線充電標(biāo)準(zhǔn)Qi 是目前較為主流的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，隨著標(biāo)準(zhǔn)覆蓋面的擴大，未來人們將像使用Wi-Fi 一樣，便捷地對多個移動終端進(jìn)行無線充電。此外，電磁感應(yīng)技術(shù)也可以應(yīng)用于電動汽車的無線充電，在汽車安裝電磁感應(yīng)接收件，在地面安裝控制模塊，即可將現(xiàn)有的停車場改造為具有無線充電功能的停車場。

在能源的來源方面，太陽能無線充電器將為無線充電提供充足、環(huán)保的能源。在實驗中，有兩種系統(tǒng)方案：一種是在太陽光照足夠的情況下，利用太陽能板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，通過供電電路將電能傳送到無線充電板上，進(jìn)行持續(xù)的充電；另一種是在太陽光照較弱的時候，利用單片機進(jìn)行電壓監(jiān)測。根據(jù)電源電動勢的變化情況，對用戶進(jìn)行安全警報，提醒用戶是否繼續(xù)利用太陽能進(jìn)行充電，或者是調(diào)整開關(guān)使用充電板所連接的蓄電池對手機進(jìn)行高功率充電。

目前，太陽能無線充電較大的問題是充電效率太低。實驗表明，利用實驗太陽能無線充電器為一部電池容量為3 070 mA·h 的手機充電，從5%至100%花了將近6 h[14]。隨著技術(shù)的發(fā)展成熟，太陽能無線充電的充電效率可望持續(xù)提高。

6 結(jié)束語

本文闡述了無線充電的概念與現(xiàn)狀、原理與模式、使用材料、存在問題及發(fā)展前景。隨著移動耗電設(shè)備的普及，無線充電的需求將會越來越大，除了手機、電動汽車外，無人機、相機、機器人、醫(yī)療器械、筆記本電腦、智能家居等均可發(fā)展無線充電。因此，無線充電技術(shù)具有相當(dāng)可觀的發(fā)展前景。提供更為高效、安全、便捷、環(huán)保的無線充電，是無線充電技術(shù)的發(fā)展方向。