无线充电技术详解.docx

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无线充电技术详解

无线充电技术

（深圳微航磁电）

摘要：

随着科技的不断发展，是生活中的电子设备越来越多，在不知不觉中各种理不清的线缆以及需要事先布置好的插座却给我们带来了与日俱增的困扰。

科学家们不断探索研究，想找出一种解决办法，能不能扔掉电源线，给自己的电器设备进行无线充电呢？

相对于大功率电能传输，小功率的无线充电技术更具实用价值，需要频繁充电的智能手机是该项技术最大的受益者。

 这对许多人来说可能是天方夜谭，但事实上，无线充电技术很快就要进入大规模的商用化，这项此前不为大众所熟悉的技术，正悄然来到我们的面前。

本文将会从发展、原理、应用等方面详细介绍无线充电这一技术，最后对改技术进行了展望以及未来的发展方向的一些畅想和看法。

关键词：

无线充电，智能手机

WirelessChargingTechnology

Abstract:

Withthecontinuousdevelopmentofscienceandtechnology,istheelectronicequipmentisbecomingmoreandmoreoflifeinimperceptibleinvariousnaggingcablesandrequirepriordecoratedsockethasbroughtusagrowingproblem.

Scientistsareconstantlyexploreresearch,tryingtofindasolution,canthrowawaythepowercord,tooneselfofelectricalequipmentforwirelesscharging?

Relativetothehighpowerelectricpowertransmission,lowpowerwirelesschargingtechnologyismuchmorepracticalvalueandneedfrequentrechargingsmartphonesisthelargestbeneficiariesofthetechnology.ItpossibleformanypeopleisArabiannights,butinfact,wirelesschargingtechnologywillsoonenterthelarge-scalecommercialapplications,thishadnotfamiliarwiththegeneralpublictechnology,arequietlycametoourpresence.Thisarticlewilldetailfromtheaspectsofdevelopment,principle,applicationofwirelesschargingthistechnology,finally,thechangeoftechnologyisdiscussedandthefuturedevelopmentdirectionofsomeimaginationandperception.

Keywords:

Wirelesscharging,Smartphone

一．无线充电技术概述

1.1什么是无线充电技术

无线充电技术（Wirelesschargingtechnology；Wirelesschargetechnology）。

无线充电技术引，源于无线电力输送技术，利用磁共振在充电器与设备之间的空气中传输电能，线圈和电容器则在充电器与设备之间形成共振，实现电能高效传输的技术。

麻省理工学院的研究团队在2007年6月7日美国《科学》杂志的网站上发表了他们的研究成果。

研究小组把共振运用到电磁波的传输上而成功“抓住”了电磁波。

他们利用铜制线圈作为电磁共振器，一团线圈附在传送电力方，另一团在接受电力方。

当传送方送出某特定频率的电磁波后，经过电磁场扩散到接受方，电力就实现了无线传导。

这项被他们称为“无线电力”的技术经过多次试验，已经能成功为一个两米外的60瓦灯泡供电。

这项技术的最远输电距离还只能达到2.7米，但研究者相信，电源已经可以在这范围内为电池充电。

而且只需要安装一个电源，就可以为整个屋里的电器供电。

1.2无线充电技术的发展

以无线的方式传输电能，其实是一项非常古老的技术，它可以追溯到人类开始拥有电力的19世纪。

当时对于电力的传送有两种思路，一种是以爱迪生为代表的有线派，即架设线缆用于电力的远距离传输，这种方案成熟可靠，缺点是工程量巨大，并且成本高昂。

还有一种就是尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla，世界上第一台交流电发电机的发明者）在19世纪末提出的无线传输方式，特斯拉当时构想通过电磁感应的方式，让电能以大地和天空电离层为介质进行低损耗的传送。

这项实验据说获得成功，但是因政治和经济因素被中止。

无线传输技术后来只是被用于电信号发送领域，也就是信息的交流，远距离能量传输从来都没有进入实用化，虽然它在物理学上是完全可行的。

直到一百年后的今天，这种局面才获得改变。

在电动牙刷、剃须刀等不少低功率的日用家电产品中，我们看到了非接触式无线充电技术的应用，给用户带来相当的便利。

随着无源式RFID电子标签的实用化和无线网络技术的大发展，诸如隔空点亮灯泡的无线供电实验也屡见报端，这一切都点亮了人们对“无线”未来生活的无限憧憬，科学界也不遗余力地朝着这个方向努力。

2001年5月，国际无线电力传输技术会议在印度洋上的法属留尼汪岛（Reunion Island, France）召开，法国国家科学研究中心的皮格努莱特（G. Pignolet）作了一个公开实验：

他利用微波技术，将电能以无线的方式传输，最后点亮了一个40米外的200瓦灯泡。

其后，据研究者有关文章介绍2003年在岛上建造的10千瓦试验型微波输电装置，已开始以2.45GHz频率向接近1km的格朗巴桑村（Grand-Bassin）进行点对点无线供电。

到2006年末，麻省理工学院在无线电力传输技术上获得突破：

以物理学助教授马林·索尔贾希克为首的研究团队试制出的无线供电装置，可以点亮相隔2.1米远的60瓦电灯泡，能量效率可达到40％，相关内容刊登在2007年6月7日的《ScienceExpress》在线杂志上。

这个“隔空点灯泡”实验引起了欧美及全球各大媒体的极大关注。

后来英特尔西雅图实验室的Joshua R.Smith在这一成果上进行改进研究，并将供电效率提高到75%（1米范围内），这样的效率相当了不起，对于笔记本电脑、智能手机、平板这样的设备来说已足够优秀，而英特尔也在2008年8月的信息技术峰会上对此作了演示。

不过，相对于大功率电能传输，小功率的无线充电技术更具实用价值，需要频繁充电的智能手机是该项技术最大的受益者。

在四年后的今天，我们在诺基亚Lumia 920智能手机上看到了商用级无线充电技术的身影，与此同时大量的手机厂商和外设厂商跟进，针对智能手机的无线充电技术一夜之间就进入爆发前夜。

二．无线充电技术详细介绍

2.1无线充电四大“流派”

无线充电技术可以分为四种类型，第一类是通过电磁感应“磁耦合”进行短程传输，它的特点是传输距离短、使用位置相对固定，但是能量效率较高、技术简单，很适合作为无线充电技术使用。

第二类是将电能以电磁波“射频”或非辐射性谐振“磁共振”等形式传输，它具有较高的效率和非常好的灵活性，是目前业内的开发重点。

第三类是“电场耦合”方式，它具有体积小、发热低和高效率的优势，缺点在于开发和支持者较少，不利于普及。

第四类则是将电能以微波的形式无线传送——发射到远端的接收天线，然后通过整流、调制等处理后使用，虽然这种方式能效很低，但使用最为方便，英特尔是这项方案的支持者。

四种我们现在所见到的无线充电技术

2.1.1电磁感应方式

我们今天见到的各类无线充电技术，大多是采用电磁感应技术，我们可以将这项技术看作是分离式的变压器。

我们知道，现在广泛应用的变压器由一个磁芯和二个线圈（初级线圈、次级线圈）组成；当初级线圈两端加上一个交变电压时，磁芯中就会产生一个交变磁场，从而在次级线圈上感应一个相同频率的交流电压，电能就从输入电路传输至输出电路。

如果将发射端的线圈和接收端的线圈放在两个分离的设备中，当电能输入到发射端线圈时，就会产生一个磁场，磁场感应到接收端的线圈、就产生了电流，这样我们就构建了一套无线电能传输系统。

电磁感应式的原理示意图

这套系统的主要缺陷在于，磁场随着距离的增加快速减弱，一般只能在数毫米至10厘米的范围内工作，加上能量是朝着四面八方发散式的，因此感应电流远远小于输入电流，能源效率并不高。

但对于近距离接触的物体这就不存在问题了。

最早利用这一原理的无线充电产品是电动牙刷——电动牙刷由于经常接触到水，所以采用无接点充电方式，可使得充电接触点不暴露在外，增强了产品的防水性，也可以整体水洗。

在充电插座和牙刷中各有一个线圈，当牙刷放在充电座上时就有磁耦合作用，利用电磁感应的原理来传送电力，感应电压经过整流后就可对牙刷内部的充电电池充电。

2.1.2磁共振方式

与电磁感应方式相比，磁共振技术在距离上就有了一定的宽容度，它可以支持数厘米至数米的无线充电，使用上更加灵活。

磁共振同样要使用两个规格完全匹配的线圈，一个线圈通电后产生磁场，另一个线圈因此共振、产生的电流就可以点亮灯泡或者给设备充电。

除了距离较远外，磁共振方式还可以同时对多个设备进行充电，并且对设备的位置并没有严格的限制，使用灵活度在各项技术中居于榜首。

在传输效率方面，磁共振方式可以达到40%～60%，虽然相对较低但也进入商用化没有任何问题。

富士通公司在2010年对磁共振系统进行展示，在演示中它成功地在15厘米距离内点亮两个灯泡，具备良好的实用价值。

除了富士通外，长野日本无线、索尼、高通、WiTricity都采取这项技术来开发自己的无线充电方案，其中WiTricity的应用领域是为电动汽车无线充电。

2.1.3电场耦合方式

日本村田制作所开发的“电场耦合”无线供电系统则属于少数派，隶属于这一体系的还包括日本的竹中工务店。

电场耦合方式与“电磁感应”及“磁共振”方式都不同，它的传输媒介不是磁场而是电场。

电场耦合式供电系统的基本电路结构

这套系统包括一个送电侧和受电侧，前者包括两组电极、一个振荡器、一个放大器和一套升压电路：

Passive电极主要起接地作用，Active电极则用于产生电场。

而振荡器的作用则是将输入的直流电转变为交流电，放大器和升压电路则负责提升电压。

例如接入为5V的适配器，经过振荡器、放大器和升压电路后就会产生一个1.5KV的高压电，驱使Active电极产生一个高压电场。

而受电侧也与此对应，接收电极感应到高压电场，再经过降压电路及整流电路后、就产生了设备能实际使用的直流电压。

目前，村田制作所已获得这种构造的技术专利。

相对于传统的电磁感应式，电场耦合方式有三大优点：

充电时设备的位置具备一定的自由度；电极可以做得很薄、更易于嵌入；电极的温度不会显著上升，对嵌入也相当有利。

首先在位置方面，虽然它的距离无法像磁共振那样能达到数米的长度，但在水平方向上也同样自由，用户将终端随意放在充电台上就能够正常充电。

我们可以看到电场耦合与电磁感应的对比结果，电极或线圈间的错位用dz/D（中心点距离/直径）参数来表示，当该参数为0时，表示两者完全重合，此时能效处于最高状态。

当该参数为1时，表示两者完全不重合。

我们可以看到，此时电场耦合方式只是降低了20%的能量输入，设备依然是可以正常充电，而电磁感应式稍有错误、能量效率就快速下降，错位超过0.5时就完全无法正常工作，因此，电磁感应式总是需要非常精确的位置匹配。

电场耦合方式的第二个特点是电极可以做到非常薄，比如它可以使用厚度仅有5微米的铜箔或者铝箔，此外对材料的形状、材料也都不要求，透明电极、薄膜电极都可以使用，除了四方形外，也可以做成其他任何非常规的形状。

这些特性决定了电场耦合技术可以被很容易地整合到薄型要求高的智能手机产品中，这也是该技术相对于其他方案最显著的优点。

显而易见，若采用电场耦合技术，智能手机厂商在设计产品时就有很宽松的自由度，不会在充电模块设计上遭受制肘。

第三个优点就是电极部分的温度并不会上升——困扰无线充电技术的一个难题就是充电时温度较高，会导致接近电极或线圈的电池组受热劣化，进而影响电池的寿命。

电场耦合方式则不存在这种困扰，电极部分的温度并不会上升，因此在内部设计方面不必太刻意。

电极部分不发热主要得益于提高电压，如在充电时将电压提升到1.5kv左右，此时流过电极的电流强度只有区区数毫安，电极的发热量就可以控制得很理想。

不过美中不足的是，送电模块和受电模块的电源电路仍然会产生一定的热量，一般会导致内部温度提升10～20℃左右，但电路系统可以被配置在较远的位置上，以避免对内部电池产生影响。

村田制作所目前已经成功地开发出5瓦和10瓦充电的产品，并致力于实现小型化，制作所计划从今年开始向市场投放小型产品，未来则朝着50瓦、100瓦等大功率产品的方向前进。

2.1.4微波谐振方式

英特尔公司是微波谐振方式的拥护者，这项技术采用微波作为能量的传递信号，接收方接受到能量波以后，再经过共振电路和整流电路将其还原为设备可用的直流电。

这种方式就相当于我们常用的Wi-Fi无线网络，发收双方都各自拥有一个专门的天线，所不同的是，这一次传递的不是信号而是电能量。

微波的频率在300MHz～300GHz之间，波长则在毫米-分米-米级别，微波传输能量的能力非常强大，我们家庭中的微波炉即是用到它的热效应，而英特尔的微波无线充电技术，则是将微波能量转换回电信号。

微波谐振方式的缺点相当明显，就是能量是四面八方发散的，导致其能量利用效率低得出奇，如英特尔的这套方案，供应电力低至1瓦以下，乍一看起来实用性相当有限。

而它的优点，则是位置高度灵活，只要将设备放在充电设备附近即可，对位置的要求很低，是最符合自然的一种充电方式。

我们可以看到，当设备收发双方完全重合时，电磁感应和微波谐振方式的能量效率都达到峰值，但电磁感应明显优胜。

不过随着X-Y方向发生位移，电磁感应方式出现快速的衰减，而微波谐振则要平缓得多，即便位移较大也具有相当的可用性。

尽管能量和效率处于较低的水平上，乍看实用价值较为有限，但作为PC业的巨头，英特尔具有化腐朽为神奇的本领，而它的做法也相当巧妙：

英特尔将超极本设计为无线充电的发送端，Atom Z平台手机作为接收端，这样只要手机放在超极本旁边，就能够在不知不觉中、连续不断地充电—相信在上班时，大多数用户都有将手机放在桌面上的习惯，此时充电工作就可以在后台开始了。

即便英特尔所用的微波谐振方式只能充入很低的电量，但在长时间的充电下，智能手机产品的电力几乎将永不衰竭，至少从用户角度上看是这样，因为只要他携带着笔记本电脑、就根本不再需要关注充电问题。

无线充电技术被英特尔提升到战略性的高度，它可以起到同时推广超极本和“Atom Z”系列X86智能手机平台的目的——在智能手机平台，英特尔只能算是后来者，加上X86架构在功耗设计上的先天弱势，外界认为英特尔机会有限，难以对ARM构成挑战。

但借助无线充电技术，英特尔的超极本和Atom Z平台都会对传统商务用户产生巨大的吸引力。

2.2电磁感应的“Qi”标准与磁共振的“WiPower”标准

无线充电技术要实现广泛的商用化，设备标准化工作显然是关键，毕竟智能手机及充电产品林林总总、数不胜数，如果没有标准的统一规范，将无法在兼容方面达成一致。

第一个亮相的标准就是由无线充电联盟（Wireless Power Consortium，WPC）在2010年8月推出的“Qi”标准，WPC联盟成立于2008年，其目的是达成无线充电技术标准的统一，并确保任何成员公司之间的产品兼容性。

WPC联盟的成员目前已经超过100多家，大量的手机厂商（摩托罗拉、诺基亚、RIM、三星、LG等）、芯片制造商（飞思卡尔、德州仪器）再到无线运营商（威瑞森无线、日本NTT DoCoMo）都是WPC的成员，在目前拥有主导地位。

WPC的标准称为“Qi”（发音为“chee”，即中文的“气”，代表生命力这个概念），它采用的技术方案就是传统的电磁感应式。

在标准颁布后，第一批具有Qi无线充电功能的产品在2010年底率先推出，HTC、韩国LG、摩托罗拉、三星、富士通（Fujitsu）、NEC（即日本电气）及夏普等公司也先后制造出内置 Qi无线充电功能的智能手机产品，但当时业界的注意力都放在智能手机的硬件和OS上，无线充电功能一直没有获得真正意义上的广泛使用。

造成这种情况的另一个原因就在于充电设备的滞后，在我们前面的介绍中，大家应该清楚电磁感应式充电最大的弊端在于对位置要求很高，对此Qi标准也明确规定了三种解决方案，分别为：

可移动式线圈、多线圈和磁铁吸引方式。

松下和三洋是可移动式线圈方案的代表者，他们将充电底座的线圈设计在一个可移动的伺服机构上，当设备放在充电座上后，检测机构将位置信号及时传送给底座的控制系统，然后驱动伺服机构、将底座线圈移动到设备的正下方，使得两个线圈高度重合。

显然，这种方案可以做到很高的能量效率，但充电底座的设计过于复杂，一旦伺服机构无法正常工作，整个充电座便因此报废。

与这种方法不同，Maxell、Energizer的多线圈设计就比较高明，它们为充电座设计了多个线圈构成的线圈阵，当设备放在上面时，与接收端线圈重合面积最大的线圈会处于激活状态，从而实现小范围的自由放置。

这套方案固然无法做到效率完美，但胜在可靠性高和成本低廉。

还有一种方法就是在底座线圈中央放置一个强磁铁。

当设备放在附近时，在磁铁的作用下，设备上的接收线圈可以与底座线圈的位置相吻合，这也是比较讨巧的一种方案，它的开发者是安利旗下的Fulton公司。

Qi标准最大的问题在于成员太多，彼此都要顾及相互利益，而手机厂商又缺乏热情——对智能手机厂商而言，支持无线充电技术会给设备开发带来麻烦，并面临一些诸如发热量高、电池寿命有限的不必要风险，所以它们对于无线充电技术兴趣不高。

因此，在Qi标准推出之后的两年内，都不见手机厂商有太大的动作。

直到今年9月份，诺基亚发布的Windows Phone 8平台智能手机Lumia 920身上，我们才看到Qi标准获得公开支持。

诺基亚也为Lumia 920带来了配套的充电板，充电板本身则采用USB接口来供电。

相比之下，配件开商对于Qi标准却高度支持，这显然是一块利润新蓝海，许多设计和功能各异的充电板已经箭在弦上。

不出意外的话，我们将在一年内看到这些产品大量上市。

作为智能手机业的两大重量级巨头，高通（Qualcomm）和三星（Samsung）对QI标准并不感冒，他们认为位置受限令该标准丧失了无线充电的方便性，这两家公司在今年5月份宣布成立了一个名为“Alliance for Wireless Power（A4WP）”的新组织，选择了位置自由度高、可同时充电多个产品的磁共振技术作为标准方案。

A4WP涉及的领域还有汽车、家具、芯片、流通等。

A4WP将这套方案称为“WiPower”，除了针对智能手机、笔记本电脑等设备外，它还将实现对电动汽车的无线充电。

A4WP虽然尚未公布详细的标准细节，但它对QI构成的挑战已显而易见：

三星是世界上最大的智能手机厂商，而高通又是最大的芯片供应商，加上磁共振技术自身又具有显著的优势，一旦进入成熟阶段，将会对电磁感应的QI标准构成全面的挑战。

大概也是意识到这一点，WPC联盟近来也开始将磁共振作为可选的标准之一，如果没有太大意外的话，磁共振可能会成为无线充电的主导技术。

2.3转换装置 

2.3.1工作原理

利用物理学的“共振”原理——两个振动频率相同的物体能高效传输能量。

1.输电线中的电能传入用铜制造的天线中。

2.天线以10兆赫的波长振动，产生电磁波。

3.天线发出的能量传播到2米（6.5英尺）外。

4.同样以10兆赫的频率震动的膝上型电脑接收到电流，能量充入设备中。

5.没有转换成膝上型电脑的能量不会被天线重新吸收。

不能产生10兆赫共振的人和其他物体不会对它产生干扰。

无线原理示意图

2.3.2主要特点

1、从理论上说，这一系统对处在充电场的人完全无害，因为电量只在以同一频率共振的线圈之间传输。

但对于这种无线充电技术，很多人可能产生担忧，就像当初对Wi-Fi和手机天线杆一样。

2、富士通的无线充电技术利用磁共振在充电器与设备之间的电场和磁场中传输电荷，线圈和电容器则在充电器与设备之间形成共振。

3、富士通表示这一系统可以在未来得到广泛应用，例如针对电动汽车的充电区以及针对电脑芯片的电量传输。

采用这项技术研制的充电系统所需要的充电时间只有当前的一百五十分之一。

2.3.3市场需求

1、随着iPhone、iPad等对电量充满“饥渴”的设备迅速兴起，研发无线充电等突破性充电技术的需求日益提高。

富士通在一份声明中说：

“这项技术将为手机集合紧凑型无线充电功能以及同时为多个便携式设备充电铺平道路。

对多个设备充电时，设备相对于充电器的位置没有任何限制。

2、当前的很多无线充电系统依靠线圈之间的电磁感应，这种方式工作距离太短，设备需要放置在充电座上，同时也会消耗大量电量。

富士通的充电系统立基于磁共振，电量可以在以同样频率发生共振的线圈之间进行无线传输。

2.3.4测试应用

1、测试结果显示无线传输距离大约在15厘米左右，但富士通表示无线传输距离最终可实现几米远。

2、需要指出的是，距离设备越远，传输中损耗的电量越多。

3、富士通的系统与美国Witricity公司研发的技术类似，后者同样利用磁共振传输电量，传输距离可达到几米远。

三．有关《无线充电》技术应用的社会实际效益

当今，世界各国都在争先恐后的研制《无线充电技术》。

随着自然资源的不断匮乏和日益加重的环境保护问题，以电能来替代其它能源的运输工具已逐渐的发展开来，电动汽车以及电动自行车已普遍的深入到了人们的生活当中。

作为电动汽车快速充电设备的技术难题还有很多，其中之一就是如何利用《无线充电技术》来实现电动汽车日益增长的需要。

《无线充电技术》还不很完善，问题的关键点就是能源损失太大和磁电感应转换的效率较低。

另外，还有大功率《无线充电技术》的远距离传输和电磁对环境的辐射影响等因素还没有得到充分的解决。

电动汽车实现《无线充电技术》的优点是替代了原始的电网直插式链接的诸多弊端，还有电能补充的时间长、车位占地面积大以及人工操作繁琐等不利因素。

但随之而带来的电能转换效率低以及能源的浪费和电磁辐射对人类及环境的影响等诸多不利因素。

以往，人们对电动汽车的充电是采用电网降压的交直流转换方式来获得电动汽车的电能补给。

对于以往的这种充电技术来讲只是一次性电网的电能转换，而且一次性电磁感应的电能损失小，因为变压器初次级的电能频率与电网是一致的（50赫兹），所以不存在中频以上电磁辐射对环境产生的影响。

但其缺点是在充电时必须提前安装好接电装置和需要加长电源引线以及存在某些不安全性等繁琐操作因素。

随着电动力汽车技术的不断完善和市场的保有量逐步的增加，也是为了方便电动汽车的能源补给，人们开始尝试着研究如何利用《无线充电技术》对电动汽车进行充电，以解决电动汽车在有线充电过程中的诸多不利环节。

《有线充电技术》与《无线充电技术》各有各的优缺点。

《有线充电技术》的优点:

1，能源转换一次性获得，电能损失小，节能环保。

2，交直流转换一次性，不存在中高频电磁辐射。

3，设备技术含量低，经济投入不大，维修方便。

4，电