无线充电技术：解决电子产品充电难题的最佳方案

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    随着科技的发展，各种电子产品应运而生：手机、手表、psp、mp3、iPod……它们为我们的生活提供了无线的便利，极大地丰富了我们的业余时间。然而，各种各样的充电器让我们很头疼！各种电子产品的充电器型号不同，很难做到良好的兼容性。然而无线充电技术的发展为我们为便携式电子产品充电提供了最佳的解决方案，让所有的电子产品只要有无线充电设备就可以随时充电，大大减轻了我们的负担。

    无线充电理论并不是一项新技术。数百年来已有许多实验室对这项技术进行研究。由于无线充电效率低、距离极短、安全性差等因素，该技术的推广受到了阻碍。现阶段，某些新材料的出现和技术进步在一定程度上克服了上述缺点。小家电和手持终端的普及，为低功率无线充电的市场化提供了广阔的空间，使其更加适合现代生活的要求，提高生活质量。新能源产业的发展进一步推动了这项技术的创新。

    1、无线充电技术的发展

    1830年代，法拉第发现改变磁场可以产生电流；随后爱迪生的助手之一特斯拉也提出了无线电力传输的想法；

    香港城市大学电子工程系徐书元教授早年成功研发出“无线电池充电平台”，该平台要求产品与充电器接触。它主要利用近场电磁耦合原理。

    2007年，美国麻省理工学院的Marin 等人在无线电力传输方面取得新进展。他们使用两米外的电源“远程”点亮一个60瓦的灯泡。 。

    2010年9月1日，全球第一个推广无线充电技术的标准化组织无线充电联盟（WPC）在北京宣布，Qi无线充电国际标准将率先引入中国。 WPC 标准定义了低功耗无线设备使用的电感耦合（线圈结构）类型和通信协议。

    无线充电联盟副主席布雷特·刘易斯表示，联盟成员有近60家，包括、LG电子、诺基亚等。

    北京时间11月9日，据外媒报道，英国一家公司近日利用其最新的感应电力传输技术，在伦敦成功实现了电动汽车无线充电。

    至此，无线充电技术已经采用统一的行业标准。未来几年，手机、MP3播放器、数码相机、笔记本等都将使用同样的无线充电器。可以说，该领域已经初步形成了一定的行业标准。目前市面上的无线充电器是由一家英国公司发明的。它看起来像一个鼠标垫，配备了密集的小线圈阵列，可以产生磁场，并将能量传输给带有接收线圈的电子设备进行充电。 ，该接收设备可以轻松连接到口香糖等电子设备上。但到目前为止，无线充电技术在大功率设备上仍然没有得到很好的实现。

    2、无线充电技术原理

    目前无线充电主要有电磁感应、无线电波、电磁共振三种方式。

    2.1 电磁感应法

    电磁感应式在初级中通入交流电，变化的电场产生变化的磁场。磁场通过次级耦合线圈感应出电流，从而将能量从发射端传输到接收端。

    但由于线圈耦合介质是空气，没有高导磁率磁芯作为介质，磁力线会严重发散到空气中，导致漏感严重，转换效率严重下降！这也是限制该技术向更高功率器件发展的最大因素。一般需要通过串联电容组成谐振电路来补偿传输功率，从而提高功率补偿的功率传输能力！

    2.2 无线电波法

   

    无线电波是另一种相对成熟的方法，其基本原理与早期矿物收音机类似。无线电波可以携带能量并传输能量。导体中电流强度的变化会产生无线电波。当无线电波穿过空间传播到达接收端时，无线电波引起的电磁场的变化产生谐振效应，进而在导体中产生电流。这种通过无线电波传输能量的方式有点类似于电磁炉。该领域的代表公司是其最终开发出的微型高效接收电路，可以捕获从墙壁弹回的无线电波能量，并在随负载调节的同时保持稳定的直流电压。该解决方案只需安装在墙上插头上的发射器和可安装在任何低压产品上的“蚊式”接收器，即可将无线电波转换为直流电，为约 1 米范围内的各种电子设备供电。电池充电。

    2.3 电磁共振法

    电磁谐振是一种通过磁场耦合谐振实现短距离无线供电的技术，目前该技术还在研究中。麻省理工学院（MIT）物理学教授马林领导的研究小组利用这项技术点亮了两米外的一个60瓦的灯泡，并为其命名。本实验使用的线圈直径达到50cm，目前还无法商业化。如果线圈尺寸减小，接收功率自然会减小。

    Qi 无线标准采用电磁感应原理。无线充电技术的实现依赖于两个设备。首先是充电器，需要连接电源，然后会有一个“托盘”来与充电器一起转移。只要手机与“托盘”的距离在规定范围内，手机就会自动进行无线充电。不过，目前无线充电的距离要求比较严格。目前，手机与“托盘”只能实现1厘米以内的近距离充电。然而，随着技术的进步，这个距离可能会被拉长。虽然电不直接接触手机产品，但给手机无线充电仍然和普通充电方式有同样的效果，而且电池寿命也不会损失。

    无线充电系统如上图所示。系统工作时，输入端通过全桥整流电路将交流市电转换为直流电，或者使用24V直流端直接为系统供电。输出的直流电经过电源管理模块后，由2M有源晶振逆变器转换为高频交流电，供给初级绕组。能量通过两个电感耦合，次级线圈输出的电流经接收转换电路转换成直流电给电池充电。当无线充电标准实施后，可以为所有支持Qi的手机充电，并且可以支持多个产品同时充电。这种充电只需将手机放在桌子上即可。此外，无线技术标准成熟后，此类设备将安装在各大公共场所。因此，用户无论是在家里、在办公室、在街上、甚至在火车上都可以进行无线充电，非常方便。

    3、无线充电产品行业现状

    众所周知，很多人认为我们生活在一个被电缆包围的世界，既麻烦又不美观，而且不环保。这就是无线充电的想法诞生的原因。虽然到目前为止，国内外各个研究机构似乎都取得了一定的进展，但始终停留在低功率、短距离的充电模式上，而国际上的无线充电研究大多朝着这个方向发展。具有大功率、长距离的特点。也许20年后会取得更大的进步。成功了，但没有人能预测未来的发展。

    科学家和工程师早就知道，传输电能并不一定需要电线始终保持物理接触，例如电动机和变压器中的线圈。它们可以通过电磁感应现象相互传递能量。科学家还发现，无线电波中含有电磁辐射，但通过传统的电磁辐射将能量从一点转移到另一点的效率很低，因为电磁波会在空气中四处传播，导致大部分能量损失掉。而且这种做法也是非常危险的，尤其是当电磁辐射量超过人体能够承受的范围时。

    而且，利用电磁波传输能量的无线充电系统也存在两大问题：第一，当充电设备上没有需要充电的设备时，发射器仍然在发射能量，如果没有，就会造成能量的浪费。长期使用；其次，当发射器上放置金属异物时，电磁波会将其加热，这必然会损坏设备，甚至引起火灾。

    其次，部分无线充电产品在性能完善后却无法批量投放市场。为什么？因为任何电子元件在出厂前都必须经过专业人员的精确调试和校准。同样，无线充电产品要想达到良好的电磁共振效果来实现电力传输，就必须经过精确的调节。在这样的情况下，量产就会变得非常困难。

    最后，现在开发的无线充电产品的成本是普通充电器价格的很多倍。不管产品有多先进，终究只是一个充电设备，所以想要推广，就必须在降低成本上下功夫。 。

    4、无线充电新方向探索

    首先，为了提高无线充电系统的效率，有必要最大限度地减少发射线圈和接收线圈之间的磁能损失。为了实现这一目标，可以在发射线圈中添加高频大电流设备来增强发射信号。通过建立智能频率跟随系统，配合LC谐振，可发射高磁势磁场。由于高磁势的存在，可以达到最大限度减少漏磁的目的，在接收部分安装一定的磁场自动搜索装置，使系统尽可能高效地工作。并且可以安装一定的磁场屏蔽装置，以减少电磁波对人体的危害，并且可以在屏蔽装置中缠绕一定的线圈，以回收接收装置未接受到的磁能，从而提高设备的效率。

    为了解决第二个问题，可以这样实现：在接收端安装一块磁铁，只有当发射端感应到磁力时才开始发送能量。这种方法简单可行，因为没有人会不小心将磁铁放在发射器上。让它在设备上烧毁。

    要解决量产问题，无线充电系统的设计首先要关注谐振部分，使设备能够自我调节。只有这样，才能解决量产问题。而如果想要降低成本，就必须以芯片的形式来做，这样才有可能尽可能的降低成本。

    另外，鉴于目前无线充电研究大多集中在大功率、长距离的行业现实，我的观点是可以稍微转移一下重点，将无线充电技术做得尽可能的精细化。既然还是无线实现大功率、远距离传输，那么为什么不向低功率、中距离发展呢？事实上，如果这一目标能够实现，其在未来电子市场的应用还是很有前景的。

   

    我们可以利用这项技术来改造现有的电池。在目前使用一次性电池的各个领域，可以通过二次电池加无线充电来减少一次性电池的使用。由于电池相当于一个金属球，我们可以在电池内部放置一个接收线圈。发射线圈产生的交变磁场会使电池中的金属产生涡流，涡流转化为热量。同时产生反向磁场，抵消了发射线圈的产生。磁场强度导致接收线圈接收到的电压下降。为了减少电池中的涡流，必须在电池和接收线圈之间放置阻挡磁场的材料。这种材料通常被称为“磁屏蔽材料”。不过，目前对该材料的研究主要集中在50Hz强磁场的环境，而几乎没有针对无线充电使用周围的强磁场的研究，因此这可能是未来发展的一个方向。

    总的来说，无线充电可以应用在很多可以想象和难以想象的领域。目前可实现的包括：低功耗、低能耗的电子通讯产品和办公产品，如手机、PDA等，以及家具产品和低能耗的家电产品。目前正在拓展的应用领域包括交通运输，如电动汽车、动车组等。未来长期目标领域包括：空间站、卫星、军舰和航空母舰等。它甚至可以从云层和无线方式收集电离层能量传输到需要能源的地方，可用于完全环保节能的新一代国际军事领域。此外，在产品的具体推广中，另一个需要面对的问题是行业标准的制定。目前，除WPC外，尚无其他行业标准。因此，为了达到最终的通用性，所有的研究方向最终都应该达到一定程度的“统一”，拥有一套相对成熟、完整的标准和协议，这样整个行业才能真正实现通用性，才能更加方便用户。在给客户带来无线便利的同时，可以大大减少有线充电器的数量，减轻电子垃圾对环境造成的沉重压力。这才是我们生活真正的便利。清洁度。

    5. 结论

    无线充电技术的发展必将为我们的生活带来无线的便利。也许在未来的某个时间，我们身边的各种手机、平板、剃须刀、相机、玩具等都会告别各种充电器，我们的生活将不再被各种电线打断。那时，我们只需要把电子产品放在平板电脑大小的板上就可以充电。我们应该相信，在现有技术快速发展的背景下，无线充电技术在未来几年应该仍能取得更大的进步，敬请期待。

    参考：

    [1] 姚小平电力无线传输应用解决方案制造自动化报告2011.12

    [2]谢立涛无线充电技术及其应用河南科技2011.03

    [3]杨立红无线充电技术展望人民邮电2010.9

    [4]杨雪霞.微波能量传输技术综述及整流天线研究新进展[J].无线电波科学杂志，2009年，24。

    [5] 王志雄等.无线电力传输技术的应用前景。空军工程大学学报（自然科学版），2003，4（1）。

    [6] 博杨等.基于超声波的无线电力传输研究。压电与声光，2011，33（2）。

    [7] 林宁.非接触式电力传输系统设计研究。浙江大学，2011。

    [8]郭艳平无线充电关键技术及研究，合肥学院学报2012.2（22）

    [9] 红梅无线充电——未来充电模式全球调查2011年第11期

    [10]唐炼，赵坤电磁场理论

    [11]袁毅 超低频与低频电磁波的传播与噪声