无线充电技术[特制材料]

1、无线充电技术 1课程知识 INTRODUCTION 无线充电指的是将电能透过非导电的物质传递。在实际应用中，通常指的是将电能透 过一定的空间距离进行传递。源于无限电能传输技术，小功率无线充电常采用电磁感 应式（如对手机充电的Qi方式，但中兴的电动汽车无线充电方式采用的感应式），大 功率无线充电常采用谐振式（大部分电动汽车充电采用此方式）由供电设备（充电器） 将能量传送至用电的装置，该装置使用接收到的能量对电池充电，并同时供其本身运 作之用。 2课程知识 CONTENT 1 历史与发展 3 总结 2 四种方式及比较 3课程知识 1 历史与发展 4课程知识 1历史与发展 起源 无线充电技术或者说无

2、线电能传输的起源可以追溯到19世纪末期。由于电 能的产生地与使用地往往存在很大的距离差异，而有线的输配电系统还没 有建立起来，早期的科学家希望能够无线地把电能传输到使用地，于是就 有了无线电能传输的需求。不少科学家在这个领域做了研究，其中以尼古 拉特斯拉（Nikola Tesla）为典型代表。 早期的这种无线电能的传输都指的是远距离（以km为计量单位）的大功率 （至少是kw级别）的电能传输。以这个目的来开展的无线电能传输的研究 最终都以失败告终。但相关的基础理论研究由此开展并延续下来。在100 多年后的今天，我们再回过头来看当年设定的这个无线电能传输的目标， 发现它仍然是遥远的难以实现的。而到

3、了近代之后，无线电能传输的需求 逐渐被无线充电的需求所取代。这里的无线充电都指的是相对近距离（米 级或更近）的电能传输。 5课程知识 1历史与发展 机皇诺基亚！ 无线充电的概念起源很早。早期对无线电能传输的应用尝试基本都失败了。 进入新世纪之后，无线充电技术又重新被关注起来。其背后的原因是什么 呢？这一轮的尝试是否还会重蹈历史的覆辙并最终归于平淡？ 近代无线充电技术的兴起，有几个先决条件。 首先是电网系统的完善。在世界的大多数国家，电网作为基础设施，经过 几十或者上百年的发展，都已经比较完善。人们可以较为方便地从电网得 到电能的供应。电能已经不再如百年前一样稀缺。基本上有人的地方就有 电能的供

4、应。也就是说跨区域的长距离无线电能传输的需求大范围内消亡 了。 其次是，电源技术得到了快速的发展。电力电子作为一个专门的学科出现 大致始于上个世纪60年代。伴随着航空技术的发展，受到太空竞赛的刺激， 航天电源的需求增加，因而电源技术也得到了发展和完善。经过几十年的 发展，开关电源理论以及半导体器件的制作工艺均得到了很大的发展。现 阶段人们可以更为容易地实现高频开关电源，实现更好的功率密度和更高 的电源效率。 近代无线充电技术的发展 6课程知识 1历史与发展 Boom！ 第三点也是最重要的一点是区域内无线充电需求的提高。随着移动互联网 技术的发展，各种智能终端设备越来越普遍。在中国2014年的智

5、能手机出 货量达到了惊人的4亿部。而人们在要求智能设备更快的上网速度，更快 的运算速度，更清晰的显示效果的同时，各种智能设备的电能需求也在不 断的提高。受限制于电池技术，智能设备的续航时间成为困扰用户的最大 问题。在功能机时代，常见手机的使用时间可以轻松达到一个星期。而进 入智能机时代，虽然电池的容量增大了3倍以上，智能手机的续航则下降 到了一天左右。因此无线充电作为一种简易可行的智能设备充电方式受到 了越来越多的关注。 无线充电技术对于智能手机的意义如何呢？我们回顾一下智能手机的发展 历史。从 2012年小米的第一款手机发布开始，智能手机厂商开始了一轮 疯狂的配置大战，从双核CPU，1G内存

6、一直厮杀到八核4G内存，手机摄像 头也从500万像素冲到了夸张的4000万像素。在一轮硬件配置的比拼之后， 国产智能手机的同质化也越来越严重。差异化竞争成为智能手机厂商的必 然选择。对性能参数的追求也将逐渐转移到对用户使用体验的关注上。在 这种环境下，无线充电技术还是有很大的发展机会的。 以上三个条件结合在一起，使得无线充电技术的发展成为了可能。 近代无线充电技术的发展 7课程知识 2 无线充电技术的分类 8课程知识 2无线充电的四种实现方法 METHOD 利用磁场之间的频率共振实现 磁场共振 可以实现远距离通信的利用电 磁波来实现的充电技术 电磁波 顾名思义，利用磁场感应来实 现充电技术的完

7、成 磁场感应 利用空间电场为媒介，通过电 场传递能量 电场感应 9课程知识 磁感应 磁感应式的基本原理 就是给初级线圈通以一 定频率的交流电，产生 磁场并通过电磁感应在 次级线圈中产生电流， 从而实现能量的传输。 10课程知识 磁感应 第一代磁感应无线充电技术最为人诟病的是使用 时空间自由度低。即充电区域的面积很小，手机 需要准确地放置在这个位置上，且不能有较多的 垂直间隔。这一点从上图三星S6充电器拆解之后 的线圈面积可以看出，也可以从手机背贴的面积 大小上进行推断。只有手机背贴的线圈和充电器 里的线圈位置正对时，才能够进行无线充电，其 有效充电面积大概是两个一元硬币大小。这一点 使得很多人

8、在使用时经常遇到因为对不准位置而 造成充电失败的情况。这种情况的多次发生就极 大的影响了用户使用体验。换言之，较高的学习 成本阻碍了这种技术的广泛应用。 11课程知识 磁场共振 高频电源有高频振荡电路与功率放大电路组成，高频振荡电 路产生与发射装置所需谐振电流的频率相同的正弦信号，经功 率放大电路将信号放大，通过一个线圈将能量感应到发射装置 中。发射与接收装置是为两个具有相同结构的天线。发射天线 中感应得到的交变电流，在其周围产生相同频率的狡辩磁场， 从而在接受线圈中感应生成相同频率的电流，由于接受天线的 本征频率与电流频率相同，从而发生自谐振，两线圈之间通过 强磁场建立耦合关系，能量由发射装

9、置源源不断传到接收装置。 12课程知识 磁场共振 无线传输电力系统结构 英特尔的“无线充电碗” 13课程知识 电场感应 有了利用空间磁场的无线供电技术，自然而然会有人想到利用 空间电场进行无线充电。因为原本电和磁就是相互对应而又关 联的。对于电场感应的无线充电技术而言，简单点说，可以把 能量发射装置和接收装置看成电容的两个极板。在交流电场的 作用下，电容的两个极板会有交变电流流过，这样就实现了电 能的无线传递。 14课程知识 电场感应 主流厂商之所以不选择这种技术标准，主要原因是因为空间电 场对人体的影响。需要厘清的是，这里并不是辐射的概念。并 不是说利用空间电场就比利用空间磁场有更多的辐射。

10、辐射更 多指的是空间逸散的能量对人体的影响。对于前三种无线充电 技术而言，不管是空间磁场还是空间电场，由于他们的工作频 率较低，能量都几乎不会以电磁波的形式发射出去。所以我们 说前三种无线充电的方式都是无辐射的，这种说法是没有问题 的。空间电场对人体的潜在影响体现在其他方面。人体内信息 的传递靠的是生物电，而较强的空间电场有可能影响到人的神 经系统。 15课程知识 电场共振 这种方式或许才是人们真正“想要”的无线充电黑科技。就是 无线充电可以表现的像无线上网一样，能够随时随地，间隔5米 或者10米对手机进行充电。第四种无线充电技术是利用高频电 磁波来进行无线充电。这个技术在理论上是可行的。我们

11、知道 常见的wifi频率是2.4GHz，现在也有5GHz的wifi信号了。既然 能够传递数据，那么理论上也可以传递能量。常见的家用无线 路由器的功率等级大概是10mW，理论上来说我们只需要把这个 路由器的功率等级增大2000倍，就可以给手机进行充电了。 16课程知识 电场共振 充电效率会非常低。电磁波的能量是对外发散的，可以想象 成一个一个的能量包裹（即光子），从发射源离开之后不管有 没有被待充电设备接收，能量都是消耗了的。 对人体的影响。电磁波的能量是对外发散的，基本上是遇到 什么就被什么吸收掉。手机能够得到电能补充的同时，人会比 手机吸收更多的能量，当然，这么大强度的电磁波对人体的影 响究竟是什么，国际上是还没有明确结论的。从目前来说，要 想让电磁波来为手机有效地无线充电，空间电磁波的能量肯定 是会远远超过国际标准的规定的。 17课程知识 3 总结 18课程知识 3 总结 对于无线充电而言，到底什么才是要解决的问题，我们认为应 该是接收电力要迷你化，起码可在手机作为内置系统，安装在 智能手机处理器方面。 随着科学技术