無線充電技術(shù)

01電磁感應(yīng)方式

圖示：電磁感應(yīng)方式示意圖

　　如上圖所示電磁感應(yīng)方式是指利用兩個(gè)平行排列的線圈間因電磁感應(yīng)而產(chǎn)生感應(yīng)電流的原理來供電的方式。

　　我們今天見到的各類無線充電技術(shù)，大多是采用電磁感應(yīng)技術(shù)，我們可以將這項(xiàng)技術(shù)看作是分離式的變壓器。我們知道，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的變壓器由一個(gè)磁芯和二個(gè)線圈(初級(jí)線圈、次級(jí)線圈)組成；當(dāng)初級(jí)線圈兩端加上一個(gè)交變電壓時(shí)，磁芯中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，從而在次級(jí)線圈上感應(yīng)一個(gè)相同頻率的交流電壓，電能就從輸入電路傳輸至輸出電路。如果將發(fā)射端的線圈和接收端的線圈放在兩個(gè)分離的設(shè)備中，當(dāng)電能輸入到發(fā)射端線圈時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)感應(yīng)到接收端的線圈、就產(chǎn)生了電流，這樣我們就構(gòu)建了一套無線電能傳輸系統(tǒng)。

　　這種傳輸方式的主要缺陷在于，磁場(chǎng)隨著距離的增加快速減弱，一般只能在數(shù)毫米至10厘米的范圍內(nèi)工作，加上能量是朝著四面八方發(fā)散式的，因此感應(yīng)電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輸入電流，能源效率并不高，但對(duì)于近距離接觸的物體這就不存在問題了。

02磁共振方式

圖示：磁共振方式示意圖

　　如上圖所示磁共振方式原理與電磁感應(yīng)方式相同，利用磁共振現(xiàn)象進(jìn)行的非接觸供電方式。

　　與電磁感應(yīng)方式相比，磁共振技術(shù)在距離上就有了一定的寬容度，它可以支持?jǐn)?shù)厘米至數(shù)米的無線充電技術(shù)，使用上更加靈活。磁共振同樣要使用兩個(gè)規(guī)格完全匹配的線圈，一個(gè)線圈通電后產(chǎn)生磁場(chǎng)，另一個(gè)線圈因此共振、產(chǎn)生的電流就可以點(diǎn)亮燈泡或者給設(shè)備充電。除了距離較遠(yuǎn)外，磁共振方式還可以同時(shí)對(duì)多個(gè)設(shè)備進(jìn)行充電，并且對(duì)設(shè)備的位置并沒有嚴(yán)格的限制，使用靈活度在各項(xiàng)技術(shù)中居于榜首。在傳輸效率方面，磁共振方式可以達(dá)到40%～60%，雖然相對(duì)較低但進(jìn)入商用化沒有任何問題。

03電磁耦合方式

圖示：電磁耦合方式示意圖

　　如上圖所示電磁耦合方式是指將兩個(gè)平面電極平行排列，利用電場(chǎng)耦合原理來供電的方式。

　　相對(duì)于傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)式，電場(chǎng)耦合方式有三大優(yōu)點(diǎn)：充電時(shí)設(shè)備的位置具備一定的自由度；電極可以做得很薄、更易于嵌入；電極的溫度不會(huì)顯著上升，對(duì)嵌入也相當(dāng)有利。首先在位置方面，雖然它的距離無法像磁共振那樣能達(dá)到數(shù)米的長(zhǎng)度，但在水平方向上也同樣自由，用戶將終端隨意放在充電臺(tái)上就能夠正常充電。

　　我們可以看到電場(chǎng)耦合與電磁感應(yīng)的對(duì)比結(jié)果，電極或線圈間的錯(cuò)位用dz/D(中心點(diǎn)距離/直徑)參數(shù)來表示，當(dāng)該參數(shù)為0時(shí)，表示兩者完全重合，此時(shí)能效處于最高狀態(tài)。當(dāng)該參數(shù)為1時(shí)，表示兩者完全不重合。我們可以看到，此時(shí)電場(chǎng)耦合方式只是降低了20%的能量輸入，設(shè)備依然是可以正常充電，而電磁感應(yīng)式稍有錯(cuò)誤、能量效率就快速下降，錯(cuò)位超過0.5時(shí)就完全無法正常工作，因此，電磁感應(yīng)式總是需要非常精確的位置匹配。

　　電場(chǎng)耦合方式的第二個(gè)特點(diǎn)是電極可以做到非常薄，比如它可以使用厚度僅有5微米的銅箔或者鋁箔，此外對(duì)材料的形狀、材料也都不要求，透明電極、薄膜電極都可以使用，除了四方形外，也可以做成其他任何非常規(guī)的形狀。這些特性決定了電場(chǎng)耦合技術(shù)可以被很容易地整合到薄型要求高的智能手機(jī)產(chǎn)品中，這也是該技術(shù)相對(duì)于其他方案最顯著的優(yōu)點(diǎn)。顯而易見，若采用電場(chǎng)耦合技術(shù)，智能手機(jī)廠商在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)就有很寬松的自由度，不會(huì)在充電模塊設(shè)計(jì)上遭受制肘。

　　第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是電極部分的溫度并不會(huì)上升——困擾無線充電技術(shù)技術(shù)的一個(gè)難題就是充電時(shí)溫度較高，會(huì)導(dǎo)致接近電極或線圈的電池組受熱劣化，進(jìn)而影響電池的壽命。電場(chǎng)耦合方式則不存在這種困擾，電極部分的溫度并不會(huì)上升，因此在內(nèi)部設(shè)計(jì)方面不必太刻意。電極部分不發(fā)熱主要得益于提高電壓，如在充電時(shí)將電壓提升到1.5kv左右，此時(shí)流過電極的電流強(qiáng)度只有區(qū)區(qū)數(shù)毫安，電極的發(fā)熱量就可以控制得很理想。不過美中不足的是，送電模塊和受電模塊的電源電路仍然會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，一般會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部溫度提升10～20℃左右，但電路系統(tǒng)可以被配置在較遠(yuǎn)的位置上，以避免對(duì)內(nèi)部電池產(chǎn)生影響。

04微波諧振方式

圖示：微波諧振方式示意圖

　　如上圖所示微波諧振方式是指將天線接收到的電波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電能的方式。

　　微波諧振方式采用微波作為能量的傳遞信號(hào)，接收方接受到能量波以后，再經(jīng)過共振電路和整流電路將其還原為設(shè)備可用的直流電。這種方式就相當(dāng)于我們常用的Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)，發(fā)收雙方都各自擁有一個(gè)專門的天線，所不同的是，這一次傳遞的不是信號(hào)而是電能量。微波的頻率在300MHz～300GHz之間，波長(zhǎng)則在毫米-分米-米級(jí)別，微波傳輸能量的能力非常強(qiáng)大，我們家庭中的微波爐即是用到它的熱效應(yīng)。

　　相較于傳統(tǒng)的電力傳輸，無線充電技術(shù)無需布線和充電端子，具備較高的便捷性。隨著電力電子器件、功率變換和控制技術(shù)的發(fā)展，無線充電技術(shù)在轉(zhuǎn)換率、低輻射等方面逐漸取得突破，目前無線充電已經(jīng)在電動(dòng)牙刷、電動(dòng)剃須刀、無繩電話等部分家電產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，現(xiàn)在其應(yīng)用范圍又?jǐn)U大到了智能手機(jī)領(lǐng)域及電動(dòng)汽車和列車領(lǐng)域，未來無線充電技術(shù)將不斷擴(kuò)展到醫(yī)療、電力、航空航天、節(jié)能環(huán)保等更多領(lǐng)域。

　　總體看來，我國(guó)無線充電技術(shù)雖然起步晚于國(guó)外，但現(xiàn)階段基本上與國(guó)際處于同一發(fā)展水平，即快速成長(zhǎng)期，已有一批企業(yè)投入技術(shù)研發(fā)并不斷擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域。

　　一是技術(shù)研發(fā)快速發(fā)展。2011年山東省青島市科技發(fā)展戰(zhàn)略研究所、山東科技大學(xué)、青島科技大學(xué)、海爾集團(tuán)超前技術(shù)研究中心共同繪制完成了“無線電力傳輸產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖”，從資源基礎(chǔ)、研發(fā)需求、技術(shù)壁壘、行業(yè)需求、產(chǎn)業(yè)目標(biāo)等方面描繪了無線電力傳輸產(chǎn)業(yè)發(fā)展的路徑。同時(shí)，一些企業(yè)通過獨(dú)立或是合作研發(fā)，在無線充電技術(shù)上取得重要突破并已投入使用，2013年硅展科技公司研發(fā)并擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“INPOFI智能無線充電技術(shù)”在美國(guó)國(guó)際消費(fèi)電子展上獲得零售商熱門獎(jiǎng)，這項(xiàng)技術(shù)具備無輻射、高電能轉(zhuǎn)化效率、熱效應(yīng)微弱等特性，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在無線充電技術(shù)方面的空白；比亞迪取得了應(yīng)用電磁感應(yīng)技術(shù)的非接觸感應(yīng)式充電器專利；中興通訊與東風(fēng)汽車開展合作，并于2014年正式啟動(dòng)我國(guó)第一條投入商用的無線充電公交示范線，其中大功率無線充電技術(shù)完全使用我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，率先實(shí)現(xiàn)新能源汽車無線充電技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。

　　二是標(biāo)準(zhǔn)起草加快推進(jìn)。中國(guó)有著全球最大的消費(fèi)電子市場(chǎng)，但國(guó)內(nèi)尚無規(guī)范的無線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，目前國(guó)家和企業(yè)層面都在加快推進(jìn)無線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定。從國(guó)家層面來看，2011年，中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)啟動(dòng)了有關(guān)無線充電技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的研究，其《近場(chǎng)無線充電技術(shù)研究》已獲報(bào)批，已完成《無線電源設(shè)備電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)性要求和測(cè)量方法》、《短距離及類似設(shè)備電磁照射符合性要求和評(píng)估方法》、《無線電源設(shè)備技術(shù)要求和測(cè)試方法第1部分：通用要求》報(bào)批稿;2012年，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)批準(zhǔn)了第一個(gè)無線充電國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃——電子信息產(chǎn)品低功率無線充電技術(shù)規(guī)范；全國(guó)信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)也啟動(dòng)相關(guān)工作，由中國(guó)電子、桑菲通信、電信研究院、海爾等9家企業(yè)和機(jī)構(gòu)組成標(biāo)準(zhǔn)起草小組，進(jìn)行頻率、協(xié)議方面的研究以及標(biāo)準(zhǔn)草案的起草。從企業(yè)層面來看，“INPOFI無線充電聯(lián)盟”接納了包括手機(jī)、平板電腦、相機(jī)等企業(yè)通過戰(zhàn)略合作協(xié)議方式加入，共享INPOFI智能技術(shù)方案。但硅展科技公司要想在國(guó)際上推廣自己的INPOFI智能無輻射充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，勢(shì)必受到多方阻擊。因此政府對(duì)推動(dòng)自主無線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、打破國(guó)外技術(shù)壟斷具有至關(guān)重要的作用。

　　三是參與國(guó)際競(jìng)合能力亟待增強(qiáng)。從關(guān)鍵領(lǐng)域看，國(guó)外無線充電技術(shù)最主要的領(lǐng)域是充配電及電能存儲(chǔ)、磁體材料、電動(dòng)汽車；國(guó)內(nèi)有將近一半比例集中于充配電及電能存儲(chǔ)，其他領(lǐng)域分散而零碎，特別是電動(dòng)汽車領(lǐng)域較少。從區(qū)域發(fā)展來看，目前中國(guó)市場(chǎng)上有25%左右的無線充電專利來自于日本、中國(guó)臺(tái)灣、美國(guó)、韓國(guó)、德國(guó)等地區(qū)。此外，廣東、江蘇、北京、浙江、上海、山東等六個(gè)地區(qū)無線充電專利申請(qǐng)數(shù)量占據(jù)中國(guó)本土申請(qǐng)總量的80%左右。從競(jìng)爭(zhēng)機(jī)構(gòu)看，國(guó)內(nèi)前20強(qiáng)中，有國(guó)外企業(yè)9個(gè)、國(guó)內(nèi)企業(yè)5個(gè)(國(guó)家電網(wǎng)、海爾、中興通訊、奇瑞汽車等)、大學(xué)6個(gè)(天津工業(yè)大學(xué)、東南大學(xué)、浙江大學(xué)、重慶大學(xué)、華南理工大學(xué)、清華大學(xué))。相比較而言，國(guó)內(nèi)企業(yè)的實(shí)力較弱。

01主要優(yōu)勢(shì)

　　1. 利用無線磁電感應(yīng)充電的設(shè)備可做到隱形，設(shè)備磨損率低，應(yīng)用范圍廣，公共充電區(qū)域面積相對(duì)的減小，但減小的占地面積份額不會(huì)太大。

　　2. 技術(shù)含量高，操作方便，可實(shí)施相對(duì)來說的遠(yuǎn)距離無線電能的轉(zhuǎn)換，但大功率無線充電技術(shù)的傳輸距離只限制在5米以內(nèi)，不會(huì)太遠(yuǎn)。

　　3. 操作方便。

02主要劣勢(shì)

　　1. 雖然設(shè)備技術(shù)含量高，但設(shè)備的經(jīng)濟(jì)成本投入較高，維修費(fèi)用大。

　　2. 因?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離大功率無線磁電轉(zhuǎn)換，所以設(shè)備的耗能較高。隨著無線充電技術(shù)設(shè)備的距離和功率的增大，無用功的耗損也就會(huì)越大。

　　3. 無線充電技術(shù)技術(shù)設(shè)備本身實(shí)現(xiàn)的是二次能源轉(zhuǎn)換，也就是將網(wǎng)電降壓(或直接)變?yōu)橹绷麟姾笤谶M(jìn)行一次較高頻率的開關(guān)控制交流變換輸出。由于大功率的交直交電流轉(zhuǎn)換是進(jìn)行電能的二次性無線傳輸原因，所以電磁的空間磁損率太大。