手机无线充电原理及外部因素对充电效率的影响

王毓延 刘宝君 张月良

摘 要：传统的有线式充电方式由于存在数据线的束缚以及充电口的频繁插拔不仅牺牲了用户便捷的充电体验还带来安全隐患。通过无线充电技术减少了插拔的麻烦，同时亦避免了接口不适用，接触不良等现象，提高了手机充电的便携性、安全性以及兼容性。文章从手机无线充电原理、无线充电系统结构以及外部因素对无线充电传输效率的影响等方面进行研究。

关键词：无线充电;传输效率;手机;电磁感应

中图分类号：TM910.6  文獻标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）21-122-02

Abstract： The traditional wired charging mode not only sacrifices the user's convenient charging experience， but also brings security risks due to the binding of data lines and the frequent plugging and unplugging of charging ports. Through wireless charging technology， the trouble of plug-in and plug-in is reduced， and the phenomenon of unsuitable interface and poor contact is avoided， so the portability， safety and compatibility of mobile phone charging are improved. This paper studies the wireless charging principle， the structure of wireless charging system and the influence of external factors on wireless charging transmission efficiency.

Keywords： Wireless charging; Transmission efficiency; Mobile phone; Electromagnetic induction

CLC NO.： TM910.6  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）21-122-02

引言

传统的有线充电方式通过电源适配器、插座面板等进行充电，但此充电方式由于需要频繁的插拔充电头和手机接口，产生数据线的磨损、摩擦极易产生电火花，降低充电的安全性以及可靠性，大大缩短充电装置的使用寿命。

无线电能传输技术主要有磁场共振、电磁感应、无线电波三种传输方式。磁场共振是由能量发送装置和能量接收装置组成，当两个装置达到相同的频率，即可相互交换能量，此方式传输功率大可达几千瓦，传输距离长，能达到3～4m的无线传输，但需要在特定的频率下进行传输，技术难度较大。电磁感应式通过初级线圈产生一定频率的交流电，使得在次级线圈中产生一定电流，实现能量的转移。电磁感应式无线充电成本较低、结构简单，但传输距离较短，一般不大于1cm，传输功率一般在几百瓦左右。无线电波式通过整流滤波等实现从微波到电能的转换，实现能量的无线传输，无线电波式能量可传输距离最远，但其安全性及稳定性较低，技术难度较大。通过分析对比现阶段主流的3种无线电能传输方式，容易得出电磁感应技术是实现手机无线充电较为合理的方式。

1 电磁感应无线充电的原理

电磁感应式无线充电由送电线圈（下）、受电线圈（上）两部分组成，接通电源，电流流过送电线圈（下）时线圈将电能转化为磁能，产生交变磁场，当智能手机靠近送电线圈（下）时，被线圈产生的交变磁场所切割，从而智能手机内部的受电线圈（上）产生交变电流，电磁感应充电原理图如图2所示，当交流电传输到智能手机后再通过电容，达到谐振，传输到IKTARA_AC1和IKTARA_AC2处进行整流，将交流电变成直流电，对智能手机进行充电。

2 无线充电传输效率的影响因素

2.1 一次及二次侧线圈的尺寸及线圈间距的影响

徐百汇，李达，高嵬等人在2019年提出一次、二次侧线圈的间距 z，二次、一次侧线 圈直径比值D2/D和线圈的品质因数Q值都会影响手机无线充电的传输效率，试验指出当D2 /D<0.3、z/D>1时，无线充电传输效率会显著降低。当z/D<0.1、0.50.3、z/D<1时，无线充电效率较高。此观点的提出为无线充电的发展提供了一个新的方向。

2.2 温度对无线充电传输效率的影响

为保证实验数据的详实可靠，令室温分别为20℃以及0℃（室温为0℃时为模拟为无线充电装置添加散热系统），使用一输入功率为最大5V-20V=1.35A，输出功率为最大20W，执行标准为Q/HDXMT0003-2018的无线充电装置对机器型号为小米9、初始电量为0%的手机进行电能传输。记录不同时间点能传输所产生的热量以及不同温度下充电功率的变化情况，并得到最终充电完成的时长。

根据相关实验，从以上数据可以看出，室内温度在20℃时手机的电量变化，表现为温度低、充电功率大时，充电速度较快，温度高、充电功率小时，充电速度较慢，设备充满电的时间为86分钟。室内温度在0℃时手机的电量变化，表现为整体充电效率较为平稳，设备充满电的时间为57分钟。当室内温度在20℃时无线充电装置的温度变化，温度随时间的增加而增加，并最终保持在40℃左右。而当室内温度在0℃时无线充电装置的温度变化，温度随时间的增加而缓慢增加，并最终保持在30℃左右。室内温度在20℃时无线充电装置的功率变化，功率随温度的增加而下降并保持在10W左右。室内温度在20℃时无线充电装置的功率变化，因设备温度相对较低，功率一般在19W左右，仅有较小波动。

3 总结

结合试验分析得出，温度是影响无线充电传输效率的主要因素，无线充电装置电子设备的发热功率将会朝着递增趋势发展下去，无线充电装置的发热控制技术也必将迎来更大的挑战。因此解决无线充电过程中发热所带来的的影响，将是未来几年该领域的研究重点。

参考文献

[1] 黄学良，谭林林，陈中.无线电能传输技术研究与应用综述[J].电工技术学报，2013.28（10）：1-11.

[2] 范兴明，莫小勇，张鑫.无线电能传输技术的研究现状与应用[J].中国电机工程学报，2015，35（10）：2584-2600.

[3] 邱海平.电子元器件及仪器的热控制技术[M].北京：电子工业出版社，1991.1-11.

[4] 熊承龙，沈兵，赵宁.基于电磁感应的无线充电技术传输效率的仿真研究[J].电子器件，2014（1）：131-133.

[5] 徐百汇，李达，高嵬.电磁感应式手机无线充电系统研究[A].电器与能效管理技术，2019.17.013.