无线充电技术

摘 要： 对无线充电技术的基本原理与特点进行说明，并对基于不同原理的无线充电技术优劣进行比较。结合目前无线充电三种基本标准协议对无线充电技术的发展现状进行介绍。

关键词：无线充电，电磁感应，电磁共振，电磁辐射，标准

中图分类号：N04；TN92；TM72 文献标识码：A 文章编号：1673-8578（2014）S1-0171-03

Wireless Charging Technology

ZHANG Miao

Abstract： This essay explained and comparedthe basic principles and characteristics of main wireless charging technologies， and introduced status quo of the wireless charging technology， based on the current three wireless charging protocols .

Keywords：wireless charging， electromagnetic induction， electromagnetic resonance， electromagnetic， standard

收稿日期：2014-06-20

作者简介：张苗（1975—），女，河南温县人，学士，助理研究员，从事光电领域的专利审查。通信方式：zhangmiao@sipo.gov.cn。

无线充电是指在不借助金属导线以及其他物理连接的条件下，以空气为介质进行电能传输，为设备进行充电，相对于传统电能传输充电的方式，无线充电电能从发射端到接收端无须金属导电接触，大大提高了用电设备的灵活性。本文将对无线充电基本技术和现状进行介绍。

一 无线充电技术的原理

1890年，克罗地亚物理学家尼古拉·特斯拉提出：以地球为内导体，地球电离层作为外导体，在地球和电离层之间建立低频共振，利用环绕地球的表面电磁波来远距离传输电力。这一大胆的设想最终由于缺乏经费、危险系数过高等原因终止，但是在理论上这一方案具备可行性。随着各项技术的成熟和无线充电需求的增加，无线充电技术有了质的飞跃，它已经从当初的概念设想逐渐变为现实，目前的无线充电主要基于以下三种原理[1]。

1.电磁感应式充电

电磁感应现象由法拉第于1831年发现，其主要原理是由于磁通量变化而产生感应电动势。电磁感应式充电就建立在电磁感应现象的基础上，基于电磁感应原理，电流流过线圈时将产生磁场，此时，将另一未通电的线圈置入该磁场中，在该线圈中就会产生电流。

典型的电磁感应式无线充电系统通过利用一对线圈之间的电磁感应来实现充电，包括发射系统和接收系统。发射系统主要包括充电座部件中的内置线圈，将该充电座插入插座接通电源，交流电通过发射线圈从而产生磁场，由电子设备内内置的接收系统所包括的接收线圈接收到所产生的磁场后产生电磁感应，进而产生感应电动势，所产生的感应电流经过整流后为电子设备充电[2]。

2.电磁共振式充电

共振是一种高效的能量传输方式，高音歌唱家歌唱时可以震碎玻璃杯就是人们所熟知的共振现象。电磁共振方式的原理与这一共振现象相似，它利用电流通过线圈产生同频率的磁场共振来实现无线供电，传输距离和效率由磁场的强弱决定。

典型的电磁共振式无线充电系统包括能量发送装置和接收装置，通过使能量发送装置和接收装置内的线圈具有相同振动频率，将线圈调校为磁共振系统并排列在磁场中，发送端与电源连接，发送端产生的振荡磁场频率与接收端线圈的固有振动频率相同从而在接收端产生共振，实现能量的传播。

3.无线电波式充电

该方式主要采用微波进行电能传输，微波指频率在30MHz到300MHz之间的电磁波。电磁波俗称无线电波，是广播、电视和现代通信技术的基础，它除了传输信号之外，还可以传输电能，其中微波的能量传输能力最强。微波辐射式充电的基本原理类似于早期使用的矿石收音机，通过接收空间传输的微波进行充电。

典型的微波辐射式充电系统包括微波发射装置和微波接收装置，微波发射装置为直接插入市电插座的电子设备，微型接收端嵌入被充电电子设备内，对发送器发出的安全的低频电磁波进行捕捉。

4. 三种充电方式的比较

前文介绍了目前主要的三种充电方式原理，其中电磁感应式充电利用线圈感应进行能量传输，传输的距离较近，基本上为厘米级别，要求充电器和被充电设备的距离越近越好，并且接收线圈和电路之间需要进行屏蔽，现有的产品多为将电子设备放置在充电器平板表面进行充电的形态，适用于几瓦到几百瓦的功率。

电磁共振式充电理论上可以传输大功率的设备，传输距离一般为几米的范围，但是由于该项技术要求以特定的频率进行能量传输，因此需要设定特定频率进行保护，并且对线圈尺寸具有要求，如果线圈尺寸过小，接收端接收到的功率将大幅减小。

微波辐射式充电的传输距离最远，但是由于微波辐射式传输存在巨大的空间路径损耗，因此该充电技术的传输功率小，仅能传输小于100毫瓦的功率，仅适用于功率非常小的电子设备。

二 无线充电技术现状

随着各项技术的成熟和无线充电需求的增加，无线充电技术的领域越来越广泛。在其最初针对的低功耗便携式电子产品领域已经获得了很好的成果，包括苹果、诺基亚等著名生产厂商已经推出了多款针对手机等电子产品的无线充电产品。在医疗器械领域，植入式医疗电子产品的无线充电日益成为研究热点，在心脏起搏器、内窥镜等应用方面得到了积极的发展。在交通运输领域，电动汽车、动车等以电能为能源的交通工具也日益成为新的焦点。

然而，目前无线充电技术标准尚未统一，Qi标准、PMA标准和A4WP标准作为目前三种最重要、最主流的标准[3]，呈现三强争霸的格局，这三种标准分别基于电磁感应式和电磁共振式两种不同的无线充电原理，在兼容性、充电便利性等方面各有优劣。

Qi标准由成立于无线充电联盟WPC推出，该联盟包括了包括三星、华为等多家主要手机、手机配件供应商。Qi标准主要基于电磁感应式充电技术进行输电。这一标准为无线充电提供了统一的技术规范，包括了性能、接口和法规三方面的内容，现阶段该标准对装置的要求为5W以下（手机产品正好处于这个标准范围内），符合该标准认证的产品将可以在任何一个符合该标准的充电器上充电，从而提高了不同品牌不同产品之间的兼容性。

PMA标准由宝洁与Powermat公司合资经营的Duracell Powermat公司发起，其主要成员包括AT&T、Google和星巴克等公司，目前许多主流手机生产厂商，例如三星、华为等也同样是PMA标准成员，这一标准同样主要基于电磁感应式充电技术进行输电。该标准的目标是为符合IEEE协会标准的手机和电子设备打造无线充电标准，其支持提供在设备内建无线充电芯片和采用WiCC无线充电卡两种方式进行充电。其中WiCC方式只需将无线充电卡片安装放置在手机的电池旁即可让没有内置无线充电晶片的智能手机完成升级实现无线充电。

A4WP标准由美国高通公司、韩国三星公司和无线充电技术公司Powermat公司成立联盟创建，这一标准主要基于电磁共振式充电技术进行输电，该标准的目标是为电子产品无线充电设备设立技术标准和行业对话机制，由于该标准采用电磁共振式充电技术，因此可以实现略远距离的无线充电，并且所针对的产品范围也更为广泛，包括了从便携式电子产品到电动汽车的多个领域，在充电时可提供更大的自由度，不需要将设备摆放在充电基座上。

三 结 语

目前无线充电技术仍然处于起步阶段，设备的经济成本投入较高，维修费用大。并且由于无线充电技术是二次能源转换，因此电磁的空间磁损率较大。此外，对于无线充电设备的电磁辐射是否对生物产生不利因素目前也尚无定论。

但是无线充电技术可以使电子设备不再受手机和有线充电器接口匹配的限制，大大增加了方便性。由于充电器和手机之间充电时不需要导电体的物理连接，从而可以在潮湿等特殊条件下应用，提高了安全性。而且由于无线充电器可以自动识别不同设备的能量需求，因而其比传统充电器更加智能。

目前无线充电技术面临主要问题包括建立统一的标准，对基础设施进行部署。未来无线充电技术有望在全行业的协调推进下促进充电设施和充电器进入普通商户和家庭，其将有长远的发展和技术应用。

参考文献

[1] 王传亮，解大勇. 无线充电技术简介及其监管机制思考[C]//中国通信学会.2011全国无线及移动通信学术大会论文集. 中国通信学会，2011：5.

[2] 刘刚，郑青玉，王德钊. 一种基于电磁感应的无线充电方法[J]. 北京信息科技大学学报，2013（2）：51-54.

[3] 张召林.无线充电技术的三大主流标准：PLA、Qi和A4WP[EB/OL]. [2014-05-14].http：//www.leiphone.com/1114-zzl-pla-qi-a4wp.html.2012-11-14.