手机无线充电技术的研究

刘志强，高大林，薛正跃，黄吉，高国艳合肥工业大学

手机无线充电技术的研究

刘志强，高大林，薛正跃，黄吉，高国艳
合肥工业大学

随着手机行业的迅猛发展，人们对于手机充电技术的要求也逐渐提高。对传统的无线技术进行改进，改造充电器插口，实现快充、闪充，在加快充电速度上力图满足市场需求。但是由于传统数据线的多次抽插会对充电器造成损害，数据线长度有限，导致无法实现随时充电的愿望。基于此，手机的无线充电技术再次进入大众视野。从2012年诺基亚的首台Lumia系列无线充电手机开始，不到十年的时间，各种无线充电手机令人眼花缭乱。尽管如此，但是目前基于电磁感应或者电磁共振方式的无线充电技术对充电距离仍有严格限制，而且存在传输效率低、电磁辐射可能对人体造成损害等问题，因此需要进一步对手机无线充电技术进行探究，寻找合适的解决办法。

手机行业；无线充电；传输效率；充电距离

基金来源为合肥工业大学2015年国家级大学生创新创业训练计划项目资助，项目名称：无线电源，项目编号201510359027。

1.引言

随着信息技术的高速发展，通信手段日新月异。手机作为信息技术的宠儿更是获得了迅猛发展，但是传统的有线充电技术因其受到数据线的限制、频繁拔插导致充电器的损害以及更换电池的繁琐等不足，已逐渐难以满足人们的消费要求。进而，无线充电技术逐渐显露视野。无线充电技术摆脱了数据线的限制，在限定范围内实现快速充电，兼有移动充电器的功能，但也因其电磁辐射大、充电的效率低、发热高等缺点阻碍了无线技术投入使用。近年来，手机制造商纷纷将目标投向无线冲电技术，加大科技投入，试图在无线充电领域成为赢家。对手机无线充电技术进行了解和进一步探究，有助于我们加深大众对这一技术的理解。

2.无线充电技术

无线充电技术，又称为感应充电、非接触性充电，它来源于无线的电力传输，曾经因传递效率低且电磁辐射过大而宣告失败。手机的无线充电技术是在手机中植入接收器，将电源产生的磁场能转化成电能，供手机充电。

2.1 无线充电技术的历史

提及无线充电技术，有一位科学家功不可没--尼古拉·特斯拉，在19世纪末期，尼古拉·特斯拉成功进行了短波无线通讯实验。到1986年，美国的一位工程师提出在地球外建立太阳能发电站，以微波的形式将电能传递进地球，也就是所谓的“空间太阳能发电”构想。之后十年里，美国航空航天局联合能源部提出太阳能计划，只是因当时国情限制，发展缓慢，稍后，欧盟和日本也开始加入此行列。从小层面上来说，2007年，麻省理工的研究团队仅利电源和电磁感应器成功将两米开外的一个60W的灯泡点亮，为无线充电技术的发展点亮曙光。2012年诺基亚发布的两款智能手机-Lumia920和820打响了手机行业无线充电技术的战役。近年来，拥有无线充电技术的手机越来越多，也出现了很多问题亟待解决。

2.2 无线充技术的原理

无线充电技术原理可分为电磁感应和感应电动势。通过提供不断变化的磁通量，产生感应电动势，完成磁能到电能的转化。无线充电技术主要包括发射模块和接收模块。首先是发射模块的电源提供的交流电经由整流滤波转化成直流电，再通过高频逆变将直流电转换成高频的交流电，之后经由磁芯内的初级线圈和次级线圈构成的分离变压器，由接收装置接收磁能，转化成电能供手机使用。除了上述最为常见的电磁感应方式外，还可以通过无线电波和电磁共振的方法进行。

3.手机无线充电技术的研究现状

2015年，三星主打手机的无线充电功能，Iphone更是希望在手机壳中放入接收装备，仅通过更换手机壳就能实现无线充电。而在这一过程中，手机的无线充电技术经历了几个发展阶段。第一代的无线充电使用了电磁感应技术，其实就是充电板，将手机无须与数据线连接，只要放置于充电板上就可以实现无线充电，但是由于手机背部的接受装置范围小，必须实现接收装置与充电区域的准确对接才能顺利充电，且由于两级线圈耦合度低，能量传递效率不足有线传递的70%，因此，这种充电方式需要的时间更长。之后第二代无线充电器从2007年的无线电力传输实验成功获取灵感，使用电磁共振方式在增加频率的同时，以蓝牙通信取代磁场耦合，实现了充电技术的稳定性和一对多充电的目标。这种充电距离在10cm左右。与电磁感应式无线充电相比，磁共振式无线充电的传输距离更长且对接收装置与充电板的对合准确度要求放宽。相应地，针对电磁感应和电磁共振方式的无线充电技术标准也先后建立，并在吸取彼此经验的基础上进行融合、修正。目前最受欢迎的Qi标准就是对电磁感应式无线充电技术的规定标准，这一标准的能量传输效率在70%左右，而且无线充电装置都具有智能化特点，能将手机接收装置与充电区域对准，自动识别手机是否已经完成充电，相较于传统的有线充电技术更加智能、环保。这两种方式下已有多种手机面世，但都未能摆脱充电板的束缚，虽然无须进行数据线的拔插，但是依然要求手机在充电时放置到充电板上，严格说，这种无线充电技术依旧难以满足人们的需求。

4.手机无线充电技术的发展方向

尽管通过电磁感应和电磁共振方法已经生产出了多种可以使用无线充电技术的手机，但是现实是这种无线充电技术对距离的限定仍然十分严格，大致在10cm数量级，而且即便再这个范围内，也有着传输效率低的问题。这种情况下，电磁波式的无线充电技术引起人们的向往。利用无处不在的电磁波实现随时随地的远距离充电，真正实现无线充电。但这一技术传递效率低的缺陷会更加明显。如何提高无线充电技术的传输效率，将现有的闪充、快充技术与无线充电技术融合，如何降低无线充电过程中的电磁辐射，减少对人体的伤害，这都是需要进一思考的问题。

5.结论

无线充电技术由来已久，从19世纪末尼古拉·特斯拉短波无线通讯实验的成功开始进入人们视野，到2007年的麻省理工团队使其曙光再现，之后的不到十年的时间里，手机行业的无线充电技术俨然成了众多手机制造商竞相争夺的领域。通过电磁感应、电磁共振已经生产出多种手机，但是目前仍存在传递效率低、传递距离短，无法摆脱充电板束缚等缺点，这些缺点是手机无线充电技术前进路上的绊脚石，需要手机制造商们加大科研力度，改善现有症状，实现真正意义上的无线充电。

[1]孟庆奎.手机无线充电技术的研究[D].北京邮电大学,2012.

[2]Richard Adhikari,李璐.无线充电技术2013年或迈入技术成熟期[J].通信世界,2012（34）：23-23.

[3]刘靖.手机无线充电技术的研究[J].数字化用户,2013（36）.