无线充电技术原理及应用浅析

毕建忠 叶天国

摘要：无线充电技术是一种不基于电力线，通过电磁技术进行设备充电的技术。无线充电技术起源于无线电力输送技术，以磁共振为辅助在充电器与设备间的空气中进行电荷传输，以此线圈与电容器便可在充电器与设备间产生共振，进而实现电能资源的高效快速传输。本文主要对无线充电技术原理、无线充电器系统，以及无线充电技术的应用进行了详细分析。

关键词：无线充电技术;无线充电器系统;电动车;智能手机

中图分类号：TP393      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）27-0219-0c

无线充电技术是不以任何金属导线或物理介质为载体，通过电磁感应、共振、射频、激光发射、微波辐射等多元形式，基于空气介质，实现电能传输的新型技术。不同于传统有线充电方式，无线充电不需借助充电端子与线路，其安全性与便捷性都十分突出。在我国现代化技术不断更新发展的趋势下，无线充电技术在电能转化效率与辐射量等方面都实现了突破性发展。目前无线充电技术已实现了在家具家电、电动车、医疗、航空等各个领域的广泛应用，在未来也将会扩展到更多领域[1]。

1 无线充电技术原理

无线电力能源可理解为小型线圈式变压器，在两个接近的线圈，一个通入交流电的时候，另一个便会生产感应电流，将感应电流整流稳压，以此提供电能。整个无线充电系统包含两部分，即基于插座的发信器;整合于电子产品的接收器，只要在既定范围内，电能便可快速自发性传输于对应接收器。

1.1 电磁感应式

电磁感应式无线充电技术是起步最早，发展最为成熟的无线充电技术，其根本原理在于，发送端与接收端各自具备独立线圈，发射端的线圈连接有线电源，生成电磁信号，接收端线圈感应电磁信号，以生成电流传输到需充电设备，工作原理类似于变压器，都是以电磁感应为载体。电磁感应式无线充电技术的优势是，输出功率比较大，可高达几瓦、几十瓦、几百瓦，可全面满足小功率电器充电需要;且传输距离比较短，控制于1cm以内;制作成本偏低，技术发展成熟;环境适应能力较强，极具穿透性。但是，也存在一定不足，即充电的效率相对偏低，无法满足大功率设备充电需要，且传输距离太短。

1.2 磁共振式

磁共振式無线充电技术原理类似于声音共振原理。相同音叉，在其中一个音叉发声时，由于振动频率相同，其他音叉也会随之发声。相同振动频率线圈排列于磁场，在其中一个音叉供电后，便会产生磁场，以实现向其他线圈供电。与电磁感应式无线充电技术对比，此技术通过共振原理可在一定程度上延长传输距离。磁共振式无线充电效率则可以达到上千瓦，传输距离在理论上可达到上千米，还可一对多同时充电。但是也存在一定缺陷，即充电转化率较低，设计难度大，维护成本较高等，导致磁共振式无线供电技术应用尚未实现大范围普及[2]。

1.3 电场耦合式

电场耦合式无线充电技术不同于其他技术，主要沿垂直方向耦合两组非对称偶极子产生的磁感电场进行电能传输，抗水平错位能力相对较强。电场耦合式无线充电技术传输功率大约在1-10W，因为存在间隙，在 极板间，能量功率损耗过大，所以无法实现大功率电能传输。传输距离最高只能达到几厘米，效率最优状态为70-80%，比较适合短距离充电。发射端与接收端位置可处于不固定状态，但是因为设备体积与充电功率的局限性，导致其应用范围并不广泛。

1.4 无线电波式

无线电波式无线充电技术的关键在于实现微波能量向电能资源的转化，以无线传输电能。不同于其他无线充电技术，无线电波式无线充电技术硬件主要是由微波发射装置与接收装置构成，可捕捉从墙壁上弹回的无线电波，以此接收能量。可实现无线充电微波频率大约在0.3-300GHz之间，在波长不断变化下，可远距离无线充电。然而，由于电能转换效率偏低，制造成本较高，导致无线电波式无线充电技术发展备受阻碍，尚未实现普及[3]。

2 无线充电器系统

无线充电器系统具体如图1所示。系统运转过程中，输入端会把交流市电通过全桥整流电路转变为直流电，或者利用直流电端为系统直接性提供电能。通过无线充电器电源管理模块之后输出的直流电基于2M有源晶振逆变转化为高频的交流电供给初级绕组。基于电感线圈耦合能量，次级线圈所输出电路通过接收器转化电路转变为直流电，以此实现充电。

3 无线充电技术连接

就技术发展现状而言，无线充电技术基于RFID近距离磁场耦合技术实现建立与发展，智能手机不需借助软件更改，便可安装充电线圈与整流芯片。其中安装方式具体为：

首先，感应线圈与芯片相结合，构成独立组件。此组件可大可小，小到硬币，大到可达38×40mm，使用金属铜线绕制线圈。

其次，智能手机锂电池周围框架上添加线圈，称之为无线充电锂电池。锂电池的优势在于安装便捷，不足也十分突出，由于手机电池属于金属件，会阻碍充电电磁波穿透，导致充电效率偏低。

再次，通过立体电路技术（LDS），基于手机塑胶外壳镭射天线。

最后，通过柔性电路板（FPC）进行天线组件制造，缺陷是价格较高。优势是柔性好，且轻薄，安装方便。

4 无线充电技术的应用分析

4.1 电子产品

电子产品实际上就是手机与平板电脑等日常电子产品。在无线充电技术快速更新发展的趋势下，各式各样的电子产品开始引用无线充电模式。在电子领域，无线充电产品可划分为两种，即发射端与接收端产品，其中发射端产品的状态是无线充电座，接收端产品的状态是内置于手机、电脑、电动牙刷等小型电子产品中的无线充电线圈与转化电路。不同于传统充电模式，无线充电模式促使电子产品使用越来越便捷，对于后续电子产品的优化发展具有十分重要的现实意义。就智能手机而言，其一，外观上可摆脱有线充电的局限性，手机充电方式造型可简约化，还可为工业设计提供更多可发挥的想象空间。其二，手机材料选择多元化，初始阶段，无线充电模式会导致金属机身出现严重发热现象，极易引发安全问题，在后续很长时间内，无线充电手机只能采用塑料材料制作外壳，但是高通wipower无线充电模式在很大程度上有效解决了机身发热问题。

4.2 电动汽车

电动汽车具有一定的环保性、节能性、经济性、噪声小等独特优势。在国际消费电子展览会上，美国展示了无线充电。而国内比亚迪等国产品牌在无线充电领域也有所涉及，但是由于续航能力较差，充电桩有限，导致电动汽车并未得到广泛认可。然而，无线充电技术的出现，有望进一步弥补这一不足。据调查表明，我国浙江省将构建首条超级高速公路，在公路下方预设电磁感应线圈，汽车可在高速行驶过程中，进行自主充电，从而有效解决了充电桩欠缺问题。无线充电技术还具备单位投资效益较高与建设周期较短等优势。基于相同投资环境，传统充电桩则需要占据较大空间位置。而无线充电技术在以其自身技术优势，可在节约空间的基础上，同时为多辆电动汽车充电，以此便有效解决了电动汽车充电问题[4]。

4.3 医疗设备

现阶段，在医疗技术逐渐优化发展的趋势下，可植入设备已经发展为一大主要方向，在人体内植入医疗设备，需要高度重视舒适性与安全性。当前，大部分医疗设备依旧利用电池提供电能，此类型设备在更换电池的时候需进行手术，这样一来，必然会给患者带来更多身体痛楚。无线充电技术可针对植入体内的小功率、中功率医疗设备实现充电，可有效防止进行二次手术，从而提高医疗设备可靠性与安全性，减少医疗废弃料生成，节能环保性较为突出。当下，Masaya Watada研发的左心室辅助装置供电系统与G.X.Wang研发的人工视网膜供电装置，都引用了无线充电技术，以提供电能，在未来无线充电技术将会实现在各种医疗设备中的广泛应用，进而满足其安全性与持续性要求[5]。

5 結语

总之，作为一大现代化关键技术，无线充电技术不仅是科学技术发展的主要前提，还是推动电能资源合理利用的重要基础。无线充电技术具有其自身的独特优势，即便捷性、安全性、可靠性、稳定性，在无线充电技术实现广泛应用时，势必会进一步推进社会经济的突破性变革发展。但是，就无线充电技术发展现状来看，未来还需要采取一定措施，切实解决标准问题，传输能效提升，成本缩减等等。相信在科研技术人员的不断探索下，无线充电技术会实现更广阔、更瞩目的发展。

参考文献：

[1] 阎江.无线充电技术及其在电动汽车方面的应用研究[J].时代汽车，2018（8）：50-51.

[2] 谢国民，韩刘路，付华，等.无线充电式传感器系统设计及关键技术[J].传感器与微系统，2018，37（3）：99-102.

[3] 江玉婷.电动汽车的无线充电技术研究[J].工程技术研究，2017（12）：76-77.

[4] 牛玉洁，冷建伟.应用于智能机器人的无线充电技术研究[J].计算机仿真，2017，34（11）：348-352，403.

[5] 袁浩博.浅析手机无线充电技术[J].数字通信世界，2017（9）：191-192.

【通联编辑：光文玲】