無線充電運用了一種新型的能量傳輸技術——無(wu)線(xian)供(gong)電(dian)技(ji)術(shu)。該(gai)技(ji)術(shu)使(shi)充(chong)電(dian)器(qi)擺(bai)脫(tuo)了(le)線(xian)路(lu)的(de)限(xian)製(zhi)，實(shi)現(xian)電(dian)器(qi)和(he)電(dian)源(yuan)完(wan)全(quan)分(fen)離(li)。在(zai)安(an)全(quan)性(xing)，靈(ling)活(huo)性(xing)等(deng)方(fang)麵(mian)顯(xian)示(shi)出(chu)比(bi)傳(chuan)統(tong)充(chong)電(dian)器(qi)更(geng)好(hao)的(de)優(you)勢(shi)。在(zai)如(ru)今(jin)科(ke)學(xue)技(ji)術(shu)飛(fei)速(su)發(fa)展(zhan)的(de)今(jin)天(tian)，無(wu)線(xian)充(chong)電(dian)顯(xian)示(shi)出(chu)了(le)廣(guang)闊(kuo)的(de)發(fa)展(zhan)前(qian)景(jing)。

 

目mu前qian無wu線xian充chong電dian的de技ji術shu已yi經jing開kai始shi在zai各ge領ling域yu中zhong探tan索suo運yun用yong。由you於yu無wu線xian傳chuan輸shu的de距ju離li越yue遠yuan
，設she備bei的de耗hao能neng就jiu越yue高gao。要yao實shi現xian遠yuan距ju離li大da功gong率lv的de無wu線xian電dian磁ci轉zhuan換huan，設she備bei的de耗hao能neng較jiao高gao。所suo以yi, 實(shi)現(xian)無(wu)線(xian)充(chong)電(dian)的(de)高(gao)效(xiao)率(lv)能(neng)量(liang)傳(chuan)輸(shu)，是(shi)無(wu)線(xian)充(chong)電(dian)器(qi)普(pu)及(ji)的(de)首(shou)要(yao)問(wen)題(ti)。另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)要(yao)解(jie)決(jue)的(de)問(wen)題(ti)是(shi)建(jian)立(li)統(tong)一(yi)的(de)標(biao)準(zhun)，使(shi)不(bu)同(tong)型(xing)號(hao)的(de)無(wu)線(xian)充(chong)電(dian)器(qi)與(yu)不(bu)同(tong)的(de)電(dian)子(zi)產(chan)品(pin)之(zhi)間(jian)能(neng)匹(pi)配(pei),從而實現無線充電。

 

無線充電已從夢想成為現實，從概念變成商用產品。無線充電產品實例：

 

圖： 手機筆記本無線充電器

 

圖：新能源汽車無線充電

 

圖： 電動牙刷無線充電

 

1.無線供電特點

 

1.1優點：

 

（1）便捷性：非(fei)接(jie)觸(chu)式(shi)
，一(yi)對(dui)多(duo)充(chong)電(dian)與(yu)一(yi)般(ban)充(chong)電(dian)器(qi)相(xiang)比(bi)，減(jian)少(shao)了(le)插(cha)拔(ba)的(de)麻(ma)煩(fan)，同(tong)時(shi)亦(yi)避(bi)免(mian)了(le)接(jie)口(kou)不(bu)適(shi)用(yong)，接(jie)觸(chu)不(bu)良(liang)等(deng)現(xian)象(xiang)，老(lao)年(nian)人(ren)也(ye)能(neng)很(hen)方(fang)便(bian)地(di)使(shi)用(yong)。一(yi)台(tai)充(chong)電(dian)器(qi)可(ke)以(yi)對(dui)多(duo)個(ge)負(fu)載(zai)充(chong)電(dian)，一(yi)個(ge)家(jia)庭(ting)購(gou)買(mai)一(yi)台(tai)充(chong)電(dian)器(qi)就(jiu)可(ke)以(yi)滿(man)足(zu)全(quan)家(jia)人(ren)使(shi)用(yong)。

 

（2）通用性：應用範圍廣隻要使用同一種無線充電標準，無論哪家廠商的哪款設備均可進行無線充電。

 

（3）新穎性
，用戶體驗好

 

（4）具有通用標準

 

 

主流的無線充電標準有：Qi標準、PMA標準、A4WP標準。

 

Qi標準：Qi標準是全球首個推動無線充電技術的標準化組織——無線充電聯盟（WPC，2008年成立）推出的無線充電標準，其采用了目前最為主流的電磁感應技術，具備兼容性以及通用性兩大特點。隻要是擁有Qi標識的產品，都可以用Qi無線充電器充電。2017年2月

，蘋果加入WPC。

 

PMA標準：PMA聯盟致力於為符合IEEE協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也是采用電磁感應原理實現無線充電。目前已經有AT&T、Google和星巴克三家公司加盟了PMA聯盟。

 

A4WP：Alliance for Wireless Power標準
，2012年推出，目標是為包括便攜式電子產品和電動汽車等在內的電子產品無線充電設備設立技術標準和行業對話機製。A4WP采用電磁共振原理來實現無線充電。

 

1.2 缺點

 

（1）工作距離短

 

目(mu)前(qian)的(de)無(wu)線(xian)充(chong)電(dian)技(ji)術(shu)大(da)多(duo)在(zai)短(duan)距(ju)離(li)範(fan)圍(wei)內(nei)的(de)近(jin)磁(ci)場(chang)對(dui)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)進(jin)行(xing)無(wu)線(xian)充(chong)電(dian)。因(yin)為(wei)無(wu)線(xian)電(dian)能(neng)傳(chuan)輸(shu)的(de)距(ju)離(li)越(yue)遠(yuan)
，功(gong)率(lv)的(de)耗(hao)損(sun)也(ye)就(jiu)會(hui)越(yue)大(da)
，能(neng)量(liang)傳(chuan)輸(shu)效(xiao)率(lv)就(jiu)會(hui)越(yue)低(di)，且(qie)會(hui)導(dao)致(zhi)設(she)備(bei)的(de)耗(hao)能(neng)較(jiao)高(gao)。

 

（2）轉換效率低，速度慢

 

無線充電技術雖然簡單便捷，但是其硬傷在於緩慢的充電速度和充電效率。

 

（3）功耗較高
，更加費電

 

隨著無線充電設備的距離和功率的增大，無用功的耗損也就會越大。

 

（4）成本較高
，維護消耗大，不符合標準會有安全隱患危險。

 

2. 無線供電原理及實現方式

 

無(wu)線(xian)充(chong)電(dian)利(li)用(yong)電(dian)磁(ci)波(bo)感(gan)應(ying)原(yuan)理(li)進(jin)行(xing)充(chong)電(dian)
，原(yuan)理(li)類(lei)似(si)於(yu)變(bian)壓(ya)器(qi)。在(zai)發(fa)送(song)和(he)接(jie)收(shou)端(duan)各(ge)有(you)一(yi)個(ge)線(xian)圈(quan)，發(fa)送(song)端(duan)線(xian)圈(quan)連(lian)接(jie)有(you)線(xian)電(dian)源(yuan)產(chan)生(sheng)電(dian)磁(ci)信(xin)號(hao)
，接(jie)收(shou)端(duan)線(xian)圈(quan)感(gan)應(ying)發(fa)送(song)端(duan)的(de)電(dian)磁(ci)信(xin)號(hao)從(cong)而(er)產(chan)生(sheng)電(dian)流(liu)。

 

2007年6月麻省理工學院以Marin Soljacic為首的研究團隊首次演示了利用電磁感應原理的燈泡無線供電技術，他們可以在一米距離內無線給60瓦的燈泡提供電力，電能傳輸效率高達75%。

 

研(yan)究(jiu)者(zhe)由(you)此(ci)設(she)想(xiang)電(dian)源(yuan)可(ke)以(yi)在(zai)這(zhe)範(fan)圍(wei)內(nei)為(wei)電(dian)池(chi)進(jin)行(xing)無(wu)線(xian)充(chong)電(dian)，進(jin)而(er)推(tui)想(xiang)隻(zhi)需(xu)要(yao)安(an)裝(zhuang)一(yi)個(ge)電(dian)源(yuan)，即(ji)可(ke)為(wei)整(zheng)個(ge)屋(wu)裏(li)的(de)用(yong)電(dian)器(qi)供(gong)電(dian)。傳(chuan)輸(shu)線(xian)圈(quan)的(de)工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)在(zai)兆(zhao)赫(he)茲(zi)範(fan)圍(wei)，接(jie)收(shou)線(xian)圈(quan)在(zai)非(fei)輻(fu)射(she)磁(ci)場(chang)內(nei)部(bu)發(fa)生(sheng)諧(xie)振(zhen)，以(yi)相(xiang)同(tong)的(de)頻(pin)率(lv)振(zhen)蕩(dang)

，然(ran)後(hou)有(you)效(xiao)的(de)通(tong)過(guo)磁(ci)感(gan)應(ying)進(jin)行(xing)電(dian)能(neng)傳(chuan)輸(shu)。

 

圖：無線充電原理

 

實現無線充電技術主要通過四種方式：電磁感應式
、磁場共振式

、無線電波式、電場耦合式：

 

 

2.1 電磁感應式

 

1890年，物理學家兼電氣工程師尼古拉·特斯拉就已經做了無線輸電試驗，實現了交流發電。

 

邁克爾·法拉第發現電磁感應原理
，電流通過線圈會產生磁場，其他未通電的線圈靠近磁場就會產生電流。

 

圖：電磁感應式原理

 

電磁感應式充電：chujixianquanyidingpinlvdejiaoliudian，tongguodianciganyingzaicijixianquanzhongchanshengyidingdedianliu，congerjiangnengliangcongchuanshuduanzhuanyidaojieshouduan。muqianzuiweichangjiandechongdiandianjiejuefanganjiucaiyongledianciganying，shishishang
，dianciganyingjiejuefanganzaijishushixianshangbingwutaiduoshenmigan


，zhongguobentudebiyadigongsi
，zaozai2005年12月申請的非接觸感應式充電器專利，就使用了電磁感應技術。

 

電磁感應式是當前最成熟
、最普遍的無線充電技術
，原理有些類似於變壓器。

 

圖：電動汽車無線充電原理

 

2.2 磁場共振式

 

圖：磁場共振方式原理

 

磁(ci)場(chang)共(gong)振(zhen)充(chong)電(dian)由(you)能(neng)量(liang)發(fa)送(song)裝(zhuang)置(zhi)
，和(he)能(neng)量(liang)接(jie)收(shou)裝(zhuang)置(zhi)組(zu)成(cheng)，當(dang)兩(liang)個(ge)裝(zhuang)置(zhi)調(tiao)整(zheng)到(dao)相(xiang)同(tong)頻(pin)率(lv)
，或(huo)者(zhe)說(shuo)在(zai)一(yi)個(ge)特(te)定(ding)的(de)頻(pin)率(lv)上(shang)共(gong)振(zhen)，它(ta)們(men)就(jiu)可(ke)以(yi)交(jiao)換(huan)彼(bi)此(ci)的(de)能(neng)量(liang)，是(shi)目(mu)前(qian)正(zheng)在(zai)研(yan)究(jiu)的(de)一(yi)種(zhong)技(ji)術(shu)，由(you)麻(ma)省(sheng)理(li)工(gong)學(xue)院(yuan)(MIT)物理教授Marin Soljacic帶領的研究團隊利用該技術點亮了兩米外的一盞60瓦燈泡。該實驗中使用的線圈直徑達到50cm，還無法實現商用化
，如果要縮小線圈尺寸，接收功率自然也會下降。

 

相比電磁感應方式，利用共振可延長傳輸距離。磁共振方式不同於電磁感應方式，無需使線圈間的位置完全吻合。

 

應用：意法半導體與WiTricity合作開發諧振無線電能傳輸芯片

 

意法半導體(簡稱ST)與超長距離無線電能傳輸技術先驅WiTricity公司,宣布合作開發電磁諧振式無線電能傳輸半導體解決方案。

 

此方案支持消費電子和物聯網設備快速無線充電,並支持多個設備同時充電。這個電磁諧振無線電能傳輸芯片被稱為“無線充電2.0”,與現有無線充電技術不同的是,這款芯片能夠給金屬外殼的智能手機、平板電腦和智能手表高效充電。

 

 

2.3 無線電波式

 

無線電波式充電：這(zhe)是(shi)發(fa)展(zhan)較(jiao)為(wei)成(cheng)熟(shu)的(de)技(ji)術(shu)，類(lei)似(si)於(yu)早(zao)期(qi)使(shi)用(yong)的(de)礦(kuang)石(shi)收(shou)音(yin)機(ji)，主(zhu)要(yao)有(you)微(wei)波(bo)發(fa)射(she)裝(zhuang)置(zhi)和(he)微(wei)波(bo)接(jie)收(shou)裝(zhuang)置(zhi)組(zu)成(cheng)，可(ke)以(yi)捕(bu)捉(zhuo)到(dao)從(cong)牆(qiang)壁(bi)彈(dan)回(hui)的(de)無(wu)線(xian)電(dian)波(bo)能(neng)量(liang)，在(zai)隨(sui)負(fu)載(zai)作(zuo)出(chu)調(tiao)整(zheng)的(de)同(tong)時(shi)保(bao)持(chi)穩(wen)定(ding)的(de)直(zhi)流(liu)電(dian)壓(ya)。此(ci)種(zhong)方(fang)式(shi)隻(zhi)需(xu)一(yi)個(ge)安(an)裝(zhuang)在(zai)牆(qiang)身(shen)插(cha)頭(tou)的(de)發(fa)送(song)器(qi)，以(yi)及(ji)可(ke)以(yi)安(an)裝(zhuang)在(zai)任(ren)何(he)低(di)電(dian)壓(ya)產(chan)品(pin)的(de)“蚊型”接收器。

 

整個傳輸係統包括微波源
、發射天線
、接收天線3部分;微波源內有磁控管，能控製源在2. 45 GHz頻段輸出一定的功率

 

圖：無線電波充電示意圖

 

應用：AirVolt無線充電器

 

AirVolt是一款利用無線電波給移動設備進行充電的無線充電器。和同類型產品一樣,它的效率要比有線充電低一些。AirVolt充電頭通電後可以將電能轉化為電磁波,接收器獲取後會將電磁波又轉化為電能為手機充電。當電量充滿到80%時就會自動停止充電, 低於20%時又會自動充電, 既保證了手機最佳電量又不會導致過度充電, 增加了電池使用壽命。

 

 

AirVolt由 TechNovator公司開發, 需要充電時隻要將接收器插進手機, 再將充電頭插上插座就能進行遠程無線充電。最佳充電距離是9米之內,而最遠距離可達12米,躲到屋裏任何一個角落都能充電!接收器和充電頭體積都足夠小，充電速度就比普通充電器慢一些。有Lightning 或 Micro usb兩種接口選擇, 滿足不同需要。

 

2.4電場耦合式

 

電場耦合式充電原理：利用通過沿垂直方向耦合兩組非對稱偶極子而產生的感應電場來傳輸電力。一般充電模塊是由2個非對稱偶極子按垂直方向排列而成的，這組偶極子各由供電部分和接收部分的活性炭電極和接地電極組成。無線供電模塊就是通過這2個非對稱偶極子的電場耦合而產生的感應電場來供電的。

 

電場耦合方式的特點大致有三：①充電時可實現位置自由，②電極薄
，③dianjibudewendubuhuishangsheng。yincibujinnenggoutigongbianlixing，erqiehaikejiangdixitongchengben。muqianyishizhiwanchengweipingbanzhongduanjidianzishudengbianxiezhongduanjinxingwuxiangongdiandegongdiantai。

 

3.現有解決方案分析：

 

國外研發無線充電技術(包括芯片/方案/發射接收器件)的企業主要包括了IDT
、TI、Freescale
、高通、博通

、NXP、Fulton、Energous、Delphi、鬆下、東芝、富士通等。

 

國內則有中惠創智、新頁
、中興、勁芯微、美嗒嗒、微鵝、斯普奧汀
、華潤矽科、新捷、伏達、以及台灣淩陽等。

 

在zai無wu線xian充chong電dian發fa射she器qi上shang放fang置zhi不bu同tong的de接jie收shou器qi，接jie收shou器qi可ke為wei不bu同tong的de裝zhuang置zhi從cong小xiao電dian力li的de耳er機ji到dao大da功gong率lv的de筆bi記ji型xing計ji算suan機ji，因yin此ci一yi個ge成cheng熟shu的de解jie決jue方fang案an首shou先xian應ying該gai要yao能neng檢jian測ce到dao對dui應ying不bu同tong的de目mu標biao物wu；而每個接收裝置的電力需求會有所不同，這時發射器需要能自動調節功率輸出進行供電。

 

一般無線充電步驟分為：檢測
、通信、供電三個階段：

 

（1） 檢測階段：識別可供電設備及異物（FOD）

 

當接收器放置在發射器工作範圍內，發射器檢測是否是一個接收器靠近

 

 

（2） 通訊階段：進行身份認證

 

發射器發送數據包，並且為接收器供電啟動接收器

，之後接收器回複響應數據完成身份的認證

 

 

（3） 充電階段：進行電能傳輸

 

在身份認證後，發射器根據接收器的設備類型

，選擇相應的功率等參數，為接收器充電

 

 

以Qi標準為例
，整體流程如下：

 

圖：Qi標準通訊流程

 

現今無線充電係統都采用共振的方式進行設計，在架構上都大至相同有下列這些構造：

 

發射器內有

 

1.直流電源輸入

2.頻率產生裝置

3.切換電力的開關

4.發射的線圈與電容諧振組合

 

接收器內有

 

1.接收的線圈與電容諧振組合

2.整流器;

3.濾波與穩壓器

4.直流電源輸出

 

3.1 IDT無線IC方案

 

圖：IDT無線發射與接收IC

 

IDT公司的無線充電技術解決方案具備高集成度，提供單芯片SOC解決方案，支持QI-LOGOWPC認證，並且兼容POWERMATE模式；具有加密通訊（FSK、ASK實現），異物檢測模式功能。IDT目前是英特爾整個平台無線充電技術唯一的合作夥伴。現已有多家廠商使用IDT無線充電解決方案。

 

IDT的無線充放電IC在無線充電效率在15W時最高可達87%，提高了係統的熱性能，可以媲美傳統的有線充電架構。其內部處理器基於32位ARM Cortex-M0架構，通過I2C通訊控製，並且提供了擴展的數字IO引腳以及相關軟件庫。

 

圖 ：IDT無線充電解決方案原理

 

成本評估參考：

 

.芯片 價格

.P9242−RNDGI(15WTransmitter) $4.4

.P9221-RAHGI8 (15W Receiver) $3.2

.P9038−RNDGI(5WTransmitter) $3.9

.P9025AC-RNBGI (5W Receiver) $ 3.2

 

3.2 恩智浦MW係列無線充電IC方案：

 

恩智浦提供的解決方案涵蓋5 W的低功耗產品到15 W的中等功耗產品，適用於消費電子、工業控製和汽車電子市場

，包含發送器/接收器控製器IC、相關軟件
、評估板和參考設計。該軟件包含實現核心充電功能所需的全部資源，還提供了用於定製和增加功能的API。

 

圖：恩智浦MW係列無線充電IC

 

成本評估參考：

 

 

3.3 TI （BQ係列）無線充電方案

 

 

TI是最早量產無線充電方案公司。其中10W無線充電解決方案中，從發射端輸入到接收端輸出效率可以達到84%。

 

接收器功能框圖：

 

 

發射器功能框圖：

 

 

此外
，TI推出的第三代無線電接收器芯片bq51020和bq51021，以及世界第一個達到WPC1.1和PMA標準的雙模型集成電路bq51221
，這些接收器解決方案已達到96%的超高效率。從而完全消除了在5W的條件下，應用於智能手機及其他便攜式設備中全麵運轉的散熱問題。

 

成本評估參考：

 

發送器:

 

 

接收器：

 

 

3.4 東芝無線IC方案

 

東芝公司旗下存儲與電子元器件解決方案公司也有宣布,使用東芝“TC7718FTG”15W無線充電發射器IC的無線充電發射器係統經認證符合無線充電聯盟(WPC)製定的Qi v1.2 EPP(擴展功率分布)標準。該係統采用支持簡單係統配置的MP-A2 (由無線充電聯盟定義的使用12V單線圈的無線充電發射器係統)
，通過Qi認證的MP-A2發射器係統。

 

東芝推出無線充電接收器IC——“TC7766WBG”,該產品經認證符合無線充電聯盟(WPC)製定的Qi v1.2 EPP(擴展功率分布)標準。TC7766WBG是通過Qi認證的15W接收器IC。

 

4. FAQ及相關測試結果

 

1
、人體危害：

 

當電磁波頻率加到1GHz以上就會直接對水分子加熱；這個原理就變成微波爐了，所以無論13MHz會對金屬加熱或是1GHz以上直接傷害人體

，無線電力在設計時必需解決安全的問題才能上市

 

2、發熱：

 

接收端5W的需求在隻有20%的轉換效率下有20W的能量轉換成熱能散逸，這樣的能量會產生龐大的熱能會導致係統溫度大幅上升
，在這樣的推算下，係統最大輸出能力會在25W
，若為無安全設計下於發射器上放置金屬異物可能會導致火災意外。因此有必要做設備識別。

 

3
、充放電效率問題：

 

發射端輸入電壓為5VDC
，接受線圈之間距離為3cm，接收端通過接受線圈獲取電能
，通過整流濾波形成穩定的5v直流電。

 

 

 

4
、互感影響：垂直距離和水平位置影響

 

 

 

 

5、距離以及線圈大小對充電效率的影響。

 

遠距離（相隔一定的空間）的感應電能傳輸效率非常低，而在設備附近（例如表麵）進行的感應電能傳輸則可以真正做到高效，其效率可與有線傳輸比擬。

 

 

距離越大(z/D > 1)或線圈大小差距越大
，效率降低的幅度越大

 

距離越小(z/D < 0.1)，線圈大小越接近(D2/D = 0.5..1) ，效率越高

 

6、功耗問題。

 

與2相同條件下，發射端待機功耗：

 

5. 參考資料

 

[1] 王振亞,、王學梅

、張波,等. 電動汽車無線充電技術的研究進展 [J]. 電源學報, 2014, 12(3):27-32.

 

[2] 孟慶奎.
，手機無線充電技術的研究[D]. 北京郵電大學, 2012.

 

[3] 潘力

， 一種鋰電池無線充電模塊的設計[D]. 電子科技大學, 2013.

 

[4] 朱美傑.，感應式無線充電技術的研究[D]. 南京信息工程大學, 2012.

 

文章來源：國際電子商情

 

 

推薦閱讀：