無線充電原理分析

無線充電技術(shù)(Wireless charging technology;Wireless charge technology )，源于無線電能傳輸技術(shù)，可分為小功率無線充電和大功率無線充電兩種方式。小功率無線充電常采用電磁感應(yīng)式，如對(duì)手機(jī)充電的Qi方式，但中興的電動(dòng)汽車無線充電方式采用感應(yīng)式 [1] 。大功率無線充電常采用諧振式(大部分電動(dòng)汽車充電采用此方式)由供電設(shè)備(充電器)將能量傳送至用電的裝置，該裝置使用接收到的能量對(duì)電池充電，并同時(shí)供其本身運(yùn)作之用。由于充電器與用電裝置之間以磁場(chǎng)傳送能量，兩者之間不用電線連接，因此充電器及用電的裝置都可以做到無導(dǎo)電接點(diǎn)外露。

隨著用電設(shè)備對(duì)供電質(zhì)量、安全性、可靠性、方便性、即時(shí)性、特殊場(chǎng)合、特殊地理環(huán)境等要求的不斷提高，使得接觸式電能傳輸方式越來越不能滿足實(shí)際需要。 無線充電器是利用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行充電的設(shè)備，其原理和變壓器相似，通過在發(fā)送和接收端各安置一個(gè)線圈，發(fā)送端線圈在電力的作用下向外界發(fā)出電磁信號(hào)，接收端線圈收到電磁信號(hào)并且將電磁信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?，從而達(dá)到無線充電的目的。無線充電技術(shù)是一種特殊的供電方式，它不需要電源線，依靠電磁波傳播，然后將電磁波能量轉(zhuǎn)化為電能，最終實(shí)現(xiàn)無線充電。

手機(jī)無線充電是一種新的充電方式，沒有數(shù)據(jù)線的支撐，隔空充電。大多數(shù)人會(huì)有這樣的疑問：無線充電為什么不需要數(shù)據(jù)線?它的充電原理是怎樣的呢?

目前無線充電方式主要有4種：

01電磁感應(yīng)無線充電

這種充電方式需要在手機(jī)和充電平臺(tái)里各安裝一個(gè)線圈，當(dāng)通電時(shí)，充電平臺(tái)里的線圈會(huì)產(chǎn)生交流電，這時(shí)候手機(jī)如果與它靠近手機(jī)里的線圈發(fā)生電磁感應(yīng)，線圈就開始作業(yè)，將電磁能轉(zhuǎn)化成電能，再通過裝置轉(zhuǎn)為直流電以完成手機(jī)的充電。這一種充電方式所要求的電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，成本也不會(huì)太高。但是，這種充電方式存在一個(gè)缺點(diǎn)，那就是傳輸?shù)木嚯x過短，如果手機(jī)擺放的位置不對(duì)，就很有可能充不上電，或者充電速度特別緩慢。

02磁場(chǎng)共振式充電

電磁共振也需要手機(jī)和充電平臺(tái)的相互作用，需要兩方的諧振器產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)共振，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化。顯然這種技術(shù)不需要手機(jī)和充電平臺(tái)的接觸，只需要讓兩者的LC諧振頻率保持一致就可以了，這樣即使相隔一定距離，也可以進(jìn)行無線充電，適用于距離比較長的傳輸。不過缺點(diǎn)在于充電的效率會(huì)比較低。

03無線電波式充電

這種充電方式是在供電方上配置一個(gè)可以進(jìn)行無線電波發(fā)射的設(shè)備。當(dāng)然，有了一個(gè)發(fā)射設(shè)備，就必須要有一個(gè)接收設(shè)備，以一種直流電壓輸出和輸入的方式進(jìn)行充電。這種充電方式雖然電流傳輸速度快，但是穩(wěn)定性和安全性都很低，研發(fā)的成本也很高。

04電場(chǎng)耦合式無線充電

原理是通過沿垂直方向耦合兩組非對(duì)稱偶極子而產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)來傳輸電力。這種充電方式轉(zhuǎn)換率很高，兩者的位置也可以不用固定，但有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，那就是需要設(shè)備的體積更大，功率也特別小。

這4種充電方式中，目前電磁感應(yīng)這種方式技術(shù)更為成熟，充電效率更高，再就是它的電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，所以現(xiàn)在我們手機(jī)無線充電廣泛運(yùn)用的就是第一種方式。

無線充電就是不需要像傳統(tǒng)充電器一樣經(jīng)過線纜傳輸電到設(shè)備里，只需要將設(shè)備和無線充電基座進(jìn)行接觸，就能進(jìn)行充電。因此無線充電也可以稱作感應(yīng)充電或非接觸式感應(yīng)充電。

我們常見的用于給手機(jī)或者手表之類移動(dòng)設(shè)備充電的基座這一類無線充電通常是近距離接觸充電，在其他領(lǐng)域的無線充電，距離是可以更大的。

其實(shí)無線充電技術(shù)已經(jīng)存在了100多年了，但是直到被蘋果公司運(yùn)用在iPhone8只有的機(jī)型上，這項(xiàng)技術(shù)真正進(jìn)入大眾眼中，也開始迅速普及

早在1894年，尼古拉·特斯拉(這位兄弟非常牛，特斯拉汽車公司的命名也是為了紀(jì)念他)就展示了磁共振耦合(Magnetic Resonant Coupling)，就是兩個(gè)電路之間產(chǎn)生磁場(chǎng)來通過空氣傳輸電

直到1978年，美國發(fā)明家約翰·喬治·博格爾開始嘗試給電動(dòng)汽車進(jìn)行無線充電。在那之后又有無數(shù)嘗試和發(fā)展，我們就看幾個(gè)：

2009年1月，WiPower公司制定磁共振標(biāo)準(zhǔn)“A4WP”，支持高達(dá)50W的功率傳輸，距離可達(dá)5厘米，功率傳輸頻率為6.78 MHz。

2010年7月，無線電力聯(lián)盟(WPC)制定磁感應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)“Qi”。制定了5W或更小的移動(dòng)終端的標(biāo)準(zhǔn)

2012年1月，IEEE發(fā)布根據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(IEEE-SA)的PMA磁感應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，行業(yè)組成電力事務(wù)聯(lián)盟(PMA)。該標(biāo)準(zhǔn)與Qi相似，主要建置一套安全，節(jié)能的感應(yīng)電源標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行智能電源管理

2015年9月，A4WP與PMA無線充電組織合并成AirFuel Alliance，推動(dòng)統(tǒng)一無線充電標(biāo)準(zhǔn)

直到現(xiàn)在，無線充電的標(biāo)準(zhǔn)只剩下兩個(gè)：

Wireless Power Consortium (WPC) 的 Qi標(biāo)準(zhǔn)

AirFuel Alliance (AFA) 的 AirFuel Resonant(A4WP標(biāo)準(zhǔn))和 AirFuel Inductive(PMA標(biāo)準(zhǔn))

無線充電原理我們來探究一下無線充電原理。

首先需要一點(diǎn)基礎(chǔ)物理，就是【電生磁，磁生電】，簡(jiǎn)單說就是電和磁場(chǎng)在一定條件下其實(shí)是能夠互相轉(zhuǎn)換的。無線充電就是基于這樣一個(gè)理論來實(shí)現(xiàn)的，就是在無線充電基座(發(fā)射器)里將交流電轉(zhuǎn)成磁場(chǎng)輸出，而設(shè)備(接收器)再將磁轉(zhuǎn)成交流電給設(shè)備使用。這樣一個(gè)過程就實(shí)現(xiàn)了無線充電

前面時(shí)候說到，在無線充電領(lǐng)域的主要三個(gè)組織：

擁有Qi標(biāo)準(zhǔn)的WPC

PMA

擁有Rezence(5cm)標(biāo)準(zhǔn)的A4WP

后兩者因?yàn)橛泻献鲄f(xié)議，所以實(shí)際上就是兩個(gè)組織了，WPC和AFA。其中WPC的Qi標(biāo)準(zhǔn)是基于電感式(Induction)，而PMA研究方向也是電感式，至于A4WP則是共振式(resonance)。

無線充電效率

無線充電現(xiàn)階段的效率一般為70%左右(大部分為65%~75%)，根據(jù)不同的充電器和發(fā)射器設(shè)計(jì)的好壞會(huì)有一些差異。如果把發(fā)射器和接收器分開來看，一般發(fā)射器效率為80%左右，接收器效率為90%左右，整個(gè)效率70%左右。這里的效率一般指提供500mA左右電流時(shí)的效率，此時(shí)也為最大效率的情況。