無線充電技術的發(fā)展和應用

1、無線充電技術的發(fā)展和應用- 機電論文無線充電技術的發(fā)展和應用李冰冰（山東省科學技術協(xié)會學會服務中心，山東濟南 250001 ）隨著科技技術的高速發(fā)展和電子設備的廣泛應用，我們的工作和生活越來越多的依賴于電子設備，我們習慣了數(shù)據(jù)線充電，也常常因為線不夠長而感到煩惱?？稍O想，有朝一日所有電子設備無需電源線，可以使用無線充電技術， 隨時隨地，自由充電。無線充電技術， 又稱為感應充電、 非接觸式充電， 是源于無線電力輸送技術產(chǎn)生的一種新型充電技術。 無線充電技術利用近場感應， 由無線充電器將能量傳送至需充電設備， 該設備使用接受到的能量對電池進行充電，且為設備本身的運作提供能量。由于無線充電器與充電

2、設備之間通過電感耦合來傳送能量，因此無需電線連接，可以做到無導電接點外露。無線充電分為電場耦合與磁場耦合兩類。分別對應的能量傳輸器件為電容和電感。電場耦合方式的無線充電技術，發(fā)射器與接收器分別安裝兩個(或兩組 )獨立的電容極板，當發(fā)射器與接收器靠近時， 兩組電容極板形成了兩個電容。電容中通以高頻、高壓交變電流， 便可實現(xiàn)電能從發(fā)射側到接收側的傳輸。充電器或“發(fā)送器”和便攜式設備或”接收器”用來有效地在組成電容的合適尺寸金屬表面間實現(xiàn)縱向的準靜電耦合。 其中驅動電極或主動電極要比另外一個電極小，上面施加的電壓較高，另外一個電極則是被動電極，尺寸較長，上面的電壓較低。當然正常情況下，電容傳輸?shù)哪芰?/p>

3、是很小的， 這與電極面積小有很大的關系。 因此，為了滿足給消費設備充電所需的功率水平(例如從 5W 至 25W) ，需要增加電極尺寸和耦合的電壓值，具體取決于實際的配置。為了實現(xiàn)耦合電極之間的無線收發(fā)、同時盡量減小對外的輻射量， 需要進行正確地設計。因此需要進一步理解和確定正確的電極尺寸、它們的設計、工作電壓、功率 值、最佳工作頻率和總的尺寸約束條件。一般情況下，理想的頻率范圍在200kHz 至 1MHz 之間，有效耦合區(qū)的電壓值在800V 至 1.52kV 之間。手機無線充電、 電動汽車無線充電技術更多的采用磁場耦合原理設計，其能量傳輸媒介為電感。在發(fā)射器與接收器上分別安裝一個平面線圈電感。

4、磁場耦合原理的無線充電技術，更接近于常規(guī)的諧振式開關電源。相對于電場耦合來講，技術難度較小，優(yōu)勢比較明顯，發(fā)展速度較快。目前已經(jīng)形成三個影響力較大的聯(lián)盟組織WPC ，A4WP 以及 PMA ，各自擁有會員多達幾十甚至上百家公司。其中， WPC 與 PMA 致力于近距離無線充電技術，如我們比較熟悉的手機無線充電。而A4WP 的技術定位在遠距離無線能量傳輸，希望能夠實現(xiàn)幾十厘米甚至幾米等級的傳輸距離。無線充電代表了充電技術上的一次重大變革。無線充電使用戶擺脫線纜的束縛，只需要把設備放在無線充電板(charging pad)上面就可以進行充電。 無線充電技術已經(jīng)廣泛應用到了電動牙刷、電動剃須刀、無線

5、電話、智能手機、電動汽車等領域。比亞迪早在 2005 年 12 月就申請了非接觸感應式充電器專利，利用的就是電磁感應來進行無線充電。 比亞迪賣給猶他大學一輛純電動巴士，這款巴士裝配著最新的 wave 無線充電墊。 司機將巴士停在充電墊上， 經(jīng)歷數(shù)分鐘的等待就能充滿電。德國、日本等國也十分積極。在德國慕尼黑，早就開始進行家用無線充電的測試。日本豐橋技術科學大學在研究能夠透過20 厘米厚的混凝土磚塊將電力傳輸給汽車的道路充電裝置。 2011 年，搭載了無線充電功能的諾基亞手機問世。世界最大的家具制造商宜家宣布，將生產(chǎn)銷售支持無線充電功能的家具，第一批可以給支持無線充電的智能手機或其他移動設備充電的

6、家具預計也在2015 年即將上市。三星手機2015 年 3 月份公布的熱門機型Galaxy S6 支持無線充電。無線充電技術近年發(fā)展迅速， 但也遇到了很多技術難題，如提高充電效率、 降低成本、有效充電距離太短。 除了技術問題， 眼下最棘手的是不同生產(chǎn)商的標準不一致，這就必須統(tǒng)一規(guī)范標準。否則，各廠商的設備無法兼容，會造成無線充電設備的浪費。目前主流的無線充電標準有三種：PMA 標準、 Qi 標準、 A4WP標準。PMA 標準全稱 Power Matters Alliance是由 Duracell Powermat公司發(fā)起的，而該公司則是由寶潔與無線充電技術公司Powermat合資經(jīng)營，擁有比較

7、出 色 的 綜 合實 力 。 除 此 以 外， Powermat還 是AllianceforWirelessPower(A4WP) 標準的支持成員之一。目前已經(jīng)有ATT 、 Google和星巴克三家公司加盟了PMA聯(lián)盟 (PowerMattersAlliance縮寫 )。PMA 聯(lián)盟致力于為符合IEEE 協(xié)會標準的手機和電子設備，打造無線供電標準， 在無線充電領域中具有領導地位。PMA 偏向咖啡桌、家具等充電設備。 其成員星巴克正在美國舊金山附近的200 家店面、 1500 個點嘗試提供無線充電服務。Qi標準是全球首個推動無線充電技術的標準化組織無線充電聯(lián)盟(Wireless Power Co

8、nsortium,簡稱 WPC) 推出的“無線充電”標準，具備便捷性和通用性兩大特征。市場上支持無線充電的智能手機和充電器大部分都符合“ Qi ”標準。不同品牌的產(chǎn)品，只要有一個 Qi 的標識，都可以用 Qi 無線充電器充電。它攻克了無線充電“通用性”的技術瓶頸， 在不久的將來， 手機、相機、電腦等產(chǎn)品都可以用 Qi 無線充電器充電，為無線充電的大規(guī)模應用提供可能。Qi 采用了目前最為主流的電磁感應技術。203 個 WPC 成員都支持 Qi 標準， Qi有超過 5000 萬個安裝基地，認證過684 個產(chǎn)品。 Qi 的無線充電方案已經(jīng)安裝在包括三星、諾基亞、谷歌、中興品牌在內(nèi)的超過72 款移動設

9、備里。作為唯一提供汽車無線充電的標準， Qi 還支持了 15 款已上市車型。在一些公共場所出現(xiàn)。阿姆斯特丹的德勤辦公大樓里，每個工作區(qū)的桌子上都安裝了Qi 。1 月 7 日，麥當勞剛剛宣布要在英國50 個門店中，增加采用Qi 標準的 600 個無線充電熱點。A4WP 是 Alliance for Wireless Power標準的簡稱，由美國高通公司、韓國三星公司以及Powermat公司共同創(chuàng)建的無線充電聯(lián)盟創(chuàng)建。該聯(lián)盟還包括Ever Win Industries、Gill Industries、Peiker Acustic和 SK Telecom 等成員，目標是為包括便攜式電子產(chǎn)品和電動汽車

10、等在內(nèi)的電子產(chǎn)品無線充電設備設立技術標準和行業(yè)對話機制。 該無線充電聯(lián)盟將重點引入“電磁諧振無線充電”技術，與 Qi 的“電磁感應技術”有所區(qū)別，這兩種技術各有千秋。前者傳輸效率可能較低，但可以實現(xiàn)稍遠距離的無線充電。后者需要近距離接觸， 例如將手機放在一個底座上，不用接線就可以通過感應充電，但這樣充電效率較高。A4WP標準組成聯(lián)盟希望讓無線充電迅速普及，讓用戶在任何地方都可進行無線充電?；蛘哒f， A4WP想要讓無線充電便宜一些，并且在不增加手機、平板或者筆記本電腦體積的情況下增加充電接口，這意味著將有越來越多的制造商默認選擇無線充電器。在這三大標準中，A4WP 采用的是非接觸式充電的磁共振技術， WPC 的“ Qi ”和 PMA 采用的是磁感應技術。磁感應技術比較成熟，但應用場景受限；磁共振技術比較新，還未成熟，但是它將來應用的場景更廣泛。無線充電技術一直是智能終端行業(yè)的熱點話題， 消費者潛在需求巨大。 美國市場研