浅析无线充电

[摘 要]随着无线通信技术的快速发展，人与人、人与物之间的通信已经逐渐摆脱了有线的束缚，然而相关电子、电气设备的充电问题还未让用户完全摆脱线缆的困扰，无线充电技术愈发受到人们的关注，也成为各大厂商争相研究的技术热点。本文对无线充电技术的原理以及3种不同的无线充电技术标准进行系统性的分析和介绍。

中图分类号：TS42 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）30-0130-02

引言

无线充电技术（Wireless charging technology），源于无线电能传输技术[1]，小功率无线充电常采用电磁感应式，大功率无线充电常采用谐振式将能量传送至用电的装置，该装置使用接收到的能量对电池进行充电，并同时供其本身运作之用。由于充电器与用电装置之间以磁场传送能量，两者之间不需要使用电线进行连接，因此充电器及用电的装置都可以做到无导电接点外露。

无线充电技术是近年来在各种电子、电气设备的迅猛发展与普及的情况下被重视研究的一种充电技术，它与传统的充电技术有很大的区别。无线充电技术通过无线能量传输的方式为电子电气设备充电，分离开供电设备与用电设备之间的物理连接，这样既可以在提高用电设备的美观、实用性的同时，还可以提高用电设备的安全性。更重要的是，规范化的无线充电器可以为各种便携式电子产品、移动设备（如手机，数码相机等）充电，不仅可以提高产品的便携性与灵活性，降低产品本身的成本，还利于环保，节约资源[2]。

1.无线充电原理

下面对3种主流无线充电技术原理进行介绍。

1.1 电磁感应式充电

电磁感应式充电是一种充电距离相对较近的一种感应耦合式充电方式，利用互感线圈实现无线电能传输。初级线圈带有一定频率的交流电，通过电磁感应现象在次级线圈中产生一定的电流，从而实现将能量从传输端转移到接收端的目的。目前最为常见的近距离充电场合多数都采用了电磁感应式充电解决方案，从移动电子设备的锂电池到大型设备的蓄电池等[3]。事实上，电磁感应解决方案在技术实现上并无太多神秘感，其原理简单，在传输距离近的条件下传输效率高，因此也得到了广泛应用。中国本土的比亚迪公司，早在2005年12月申请的非接触感应式充电器专利，就使用了电磁感应充电技术原理。

电磁感应通过送电线圈和接收线圈之间传输电力，是最接近实用化的一种充电方式。当送电线圈中有交变电流通过时，发送（初级）、接收（次级）两线圈之间产生交替变化的磁束，由此在次级线圈产生随磁束变化的感应电动势，通过接收线圈端子对外输出交变电流。

电磁感应式充电技术目前存在的问题是：充电距离近（约100mm左右），传输距离越大，传输效率越低，并且当送电与接受两部分出现较大偏差时，电力传输效率下降愈为明显。此外，充电功率大小与线圈尺寸直接相关，需要大功率传送电力时，须在基础设施建设和电力设备方面加大投入。

1.2 磁场共振充电

磁场共振式充电方式是利用电磁耦合产生谐振实现，由能量发送装置和能量接收装置组成，当两个电磁装置具有相同谐振频率，或者说在一个特定的频率上产生共振，它们就可以交换彼此的能量，实现无线传输[3]。由麻省理工学院（MIT）物理教授Marin Soljacic带领的研究团队利用该技术点亮了两米外的一盏60瓦灯泡，并将该技术取名为WiTricity。但值得一提的是，该实验中使用的线圈直径达到50cm，体积较大，如果要缩小线圈尺寸，那么显然接收功率自然也会下降，因此磁场共振式充电方案尚未成熟，线圈尺寸成为该技术得到广泛应用的障碍，目前无法实现商用化。

与电磁感应充电方式不同之处在于，磁共振方式加装了一个高频驱动电源，采用兼备线圈和电容器的LC共振电路，而并非由简单线圈构成送电和接收两个单元。共振频率的数值会随送电与接收单元之间距离的变化而改变，当传送距离发生改变时，与电磁感应充电方式一样，传输效率也会迅速降低。为此，可通过控制电路调整共振频率，使两个单元的电路发生共振，即“共鸣”。所以，这种磁共振状态也被称为“磁共鸣”。

在控制回路的作用下改变传送与接收的频率，可将电力传送距离增大至数米左右，同时将两单元电路的电阻降至最小以提高传送效率。当然，传输效率还与发送与接收电单元的直径相关，传送面积越大，传输效率也越高。

1.3、无线电波式充电

无线电波式充电技术是发展较为成熟的一项无线充电技术，原理类似于早期使用的收音C，主要有微波发射装置和微波接收装置组成，可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量，在随负载做出调整的同时能够保持稳定的直流电压。此种方式只需一个安装在墙身插头的发送器，以及可以安装在任何低电压产品的“蚊型”接收器即可实现。

使用2.45GHz的电波发生装置传送电力，发送装置与我们熟悉的微波炉使用的“磁控管”基本相同。传送的微波也是交流电波，可用天线在不同方向进行接收，可以利用整流电路转换成直流电为汽车电池等设备进行充电。为防止充电时微波外漏，充电部分装有金属屏蔽装置。使用中，送电与接收之间的有效屏蔽可防止微波外漏。

无线电波式充电方式目前存在的主要问题是，磁控管产生微波时的效率过低，造成许多电力转变为热能被白白消耗。

2 无线充电标准

无线充电技术尽管已经受到人们关注，成为充电系统的发展方向之一，有着非常广泛的应用场景，但是正如目前我们看到的这样，现如今无线充电技术还没有得到广泛应用。原因在于无线充电标准还未统一，而不同的充电系统对供电参数要求又不尽相同[1]。下面对全球现有3个相对成熟的无线充电联盟标准：Qi标准、A4WP标准、iNPOFi进行介绍。

2.1 Qi标准

Qi是全球首个推动无线充电技术的标准化的组织--无线充电联盟（Wireless Power Consortium，简称WPC）推出的“无线充电”标准，具备便捷性和通用性两大特征。首先，不同品牌的产品，只要有一个Qi的标识，都可以用Qi无线充电器充电。其次，它攻克了无线充电“通用性”的技术瓶颈，相信在不久的将来，手机、相机、电脑等电子产品都可以用Qi无线充电器充电，为无线充电的大规模应用提供可能。

Qi标准的充电原理为电磁感应原理，系统在两个平面线圈间采用电感耦合的方式在功率发射器和功率接收器间实现电力传输。数字控制回路对输出电压进行调节，进行功率接收器与功率发射器的通信，并消耗一定的功率。藉由反向散射调变，功率发射器到功率接收器间可达成单向通信。在反向散射调变中，功率接收器线圈会被载入，改变功率接收器内的电流消耗。这些电流消耗的改变会被监控并解{成两个设备协同工作所需的资讯。

目前，虽然Qi标准锁定智能型手机的电流标准仅为5瓦（W），不过显然地，对于无线充电联盟而言，为平板电脑以及更大型电子电气设备进行充电将逐步实现，而针对这些设备的10W解决方案也即将问世。

2.2 A4WP标准

A4WP标准，全称Alliance for Wireless Power，是由美国高通公司、三星公司以及Powermat公司共同创建，它的目标主要是建立电子产品之间统一的标准，甚至与电动汽车等相匹配的充电标准。A4WP标准采用的是“电磁谐振技术”，这是与其他标准最大的不同之处。相比于Qi，A4WP采用了更大的输出线圈，能同时为多台设备进行充电。这种充电标准的优势在于由于设定了精确的共振频率，即使微弱的感应磁场也能为设备充电，这意味着A4WP的充电范围将会比Qi大得多，理论上来说隔着物体也可以充电，同时也不需要准确地将设备摆放在充电基座上。和Qi一样，A4WP也可以根据充电设备的数量和缺电状况自动调整能量分配方案，以达到节能的目的。从其特点来看，A4WP由于自身技术优势，要比Qi方便不少，由于A4WP对充电场地的限制弱化了，用户不再需要像使用Qi无线充电设备时那样将电子设备小心地摆放好，而且由于A4WP的充电范围相对较大，能够支持一些形状复杂的设备，比如相机。这种充电标准最大弊端在于效率低下，并且在短时间内很难克服[1]。将其优缺点列举如下：

优点：

（1）相较于电感式替代方案，可以潜在性的更低成本提供最大的自由空间；

（2）可扩展到更高的功率和穿戴式产品是其一大卖点；

（3）允许多设备充电。

缺点：

（1）因为独立的信令电路，所以通信费用高；

（2）电磁干扰增高/辐射高；

（3）由于松散耦合的线圈结构，所以效率低；

（4）由于额外的通信带宽会增加成本，所以配件有限。

2.3 iNPOFi标准

iNPOFi（“invisible power field”，即“不可见的能量场”）无线充电是一种新型无线充电技术。其无线充电系列产品采用智能电传输无线充电解决方案，具有无辐射、高电能转化效率、热效应微弱等特性。

与现有其他的无线充电技术相比，iNPOFi没有辐射效应，采用电场脉冲模式，不产生任何辐射。中国泰尔实验室测试结果显示，辐射增加值近乎零。在高效方面，泰尔试验室还测定，该技术的产品，充电传输效率高达90%以上，彻底改变了传统无线充电技术最高70%的电转换低效率问题。

在智能管理方面，采用芯片适配管理技术，其中包括：自动开启、关闭充电过程；自动适配需要的电压、电流，管理充电过程，以确保较高的充电效率；并可以使用一个统一的充电板，为任何品牌、型号的电子产品，进行安全、便利、高效的充电。

在安全性方面，同时考虑到了各种弱电充电中的安全性问题，如静电ESD保护、防过充、防冲击等等，甚至若受电设备自身电源管理出现问题时，可以通过iNPOFi芯片自动熔断保护电子设备不被损坏。值得一提的是，对于智能设备厂商而言，iNPOFi仅以一颗极小的芯片为核心，实现了超微化设计，仅有1/4个五毛硬币大小，可以方便地集成到任何设备中，也可以集成到各种形态的可穿戴设备中，这是传统电磁原理的产品无法达到的。

iNPOFi技术作为新一代无线充电技术标准，高效、绿色、便捷、经济。采用该技术的充电设备包含电源发射装置和电源接收装置两部分，发射装置大小、薄厚堪与普通手机相当，接收装置可以嵌入手机保护套中，将手机套上保护套，平放在发射装置上进行充电。充电过程中，手机不需要插上任何连接线。充电设备支持低电压供电，兼容普通USB供电，实现低温充电，有效保障设备及电池的使用安全及寿命。

4 结论

无线充电技术具有便利、安全等优势，具有很大的市场潜力和发展空间，是今后充电技术和相关产品未来发展的主流方向及趋势。目前无线充电技术尚处于初步阶段，还未得到普遍应用，主要原因在于现有的主流充电标准各有优缺点，无线充电技术标准还未统一，成为无线充电技术发展的主要障碍。今后随着无线充电市场竞争日趋凸显，在商业化的带动下无线充电技术将日趋成熟，为我们带来一个更加便携的无线充电环境。

参考文献

[1] 张益铭.无线充电技术标准浅析[J].数字技术与应用，2013.

[2] 窦延军.一种磁耦合谐振式无线充电系统的设计[D].电子科技大学，2013.

[3] 赵子明.感应耦合式锂电池无线充电平台设计研究[D].浙江大学，2013.