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)用的變壓器由一個磁芯和二個線圈(初級線圈、次級線圈)組成；當(dāng)初級線圈兩端加上一個交變電壓時，磁芯中就會產(chǎn)生一個交變磁場，從而在次級線圈上感應(yīng)一個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分離的設(shè)備中，當(dāng)電能輸入到發(fā)射端線圈時，就會產(chǎn)生一個磁場，磁場感應(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)電流遠遠小于輸入電流，能源效率并不高，但對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，它可以支持數(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規(guī)格完全匹配的線圈，一個線圈通電后產(chǎn)生磁場，另一個線圈因此共振、產(chǎn)生的電流就可以點亮燈泡或者給設(shè)備充電。除了距離較遠外，磁共振方式還可以同時對多個設(shè)備進行充電，并且對設(shè)備的位置并沒有嚴格的限制，使用靈活度在各項技術(shù)中居于榜首。在傳輸效率方面，磁共振方式可以達到40%～60%，雖然相對較低但進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平面電極平行排列，利用電場耦合原理來供電的方式。

　　相對于傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)式，電場耦合方式有三大優(yōu)點：充電時設(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；電極的溫度不會顯著上升，對嵌入也相當(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到數(shù)米的長度，但在水平方向上也同樣自由，用戶將終端隨意放在充電臺上就能夠正常充電。

　　我們可以看到電場耦合與電磁感應(yīng)的對比結(jié)果，電極或線圈間的錯位用dz/D(中心點距離/直徑)參數(shù)來表示，當(dāng)該參數(shù)為0時，表示兩者完全重合，此時能效處于最高狀態(tài)。當(dāng)該參數(shù)為1時，表示兩者完全不重合。我們可以看到，此時電場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)式稍有錯誤、能量效率就快速下降，錯位超過0.5時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。

　　電場耦合方式的第二個特點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產(chǎn)品中，這也是該技術(shù)相對于其他方案最顯著的優(yōu)點。顯而易見，若采用電場耦合技術(shù)，智能手機廠商在設(shè)計產(chǎn)品時就有很寬松的自由度，不會在充電模塊設(shè)計上遭受制肘。

　　第三個優(yōu)點就是電極部分的溫度并不會上升——困擾無線充電技術(shù)技術(shù)的一個難題就是充電時溫度較高，會導(dǎo)致接近電極或線圈的電池組受熱劣化，進而影響電池的壽命。電場耦合方式則不存在這種困擾，電極部分的溫度并不會上升，因此在內(nèi)部設(shè)計方面不必太刻意。電極部分不發(fā)熱主要得益于提高電壓，如在充電時將電壓提升到1.5kv左右，此時流過電極的電流強度只有區(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產(chǎn)生一定的熱量，一般會導(dǎo)致內(nèi)部溫度提升10～20℃左右，但電路系統(tǒng)可以被配置在較遠的位置上，以避免對內(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，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專門的天線，所不同的是，這一次傳遞的不是信號而是電能量。微波的頻率在300MHz～300GHz之間，波長則在毫米-分米-米級別，微波傳輸能量的能力非常強大，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)在電動牙刷、電動剃須刀、無繩電話等部分家電產(chǎn)品中實現(xiàn)實用化，現(xiàn)在其應(yīng)用范圍又擴大到了智能手機領(lǐng)域及電動汽車和列車領(lǐng)域，未來無線充電技術(shù)將不斷擴展到醫(yī)療、電力、航空航天、節(jié)能環(huán)保等更多領(lǐng)域。

　　總體看來，我國無線充電技術(shù)雖然起步晚于國外，但現(xiàn)階段基本上與國際處于同一發(fā)展水平，即快速成長期，已有一批企業(yè)投入技術(shù)研發(fā)并不斷擴大應(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)目標等方面描繪了無線電力傳輸產(chǎn)業(yè)發(fā)展的路徑。同時，一些企業(yè)通過獨立或是合作研發(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)并擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的“INPOFI智能無線充電技術(shù)”在美國國際消費電子展上獲得零售商熱門獎，這項技術(shù)具備無輻射、高電能轉(zhuǎn)化效率、熱效應(yīng)微弱等特性，填補了國內(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年正式啟動我國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)完全使用我國自主知識產(chǎn)權(quán)，率先實現(xiàn)新能源汽車無線充電技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。

　　二是標準起草加快推進。中國有著全球最大的消費電子市場，但國內(nèi)尚無規(guī)范的無線充電技術(shù)標準，目前國家和企業(yè)層面都在加快推進無線充電技術(shù)標準的制定。從國家層面來看，2011年，中國通信標準化協(xié)會啟動了有關(guān)無線充電技術(shù)和標準的研究，其《近場無線充電技術(shù)研究》已獲報批，已完成《無線電源設(shè)備電磁兼容標準性要求和測量方法》、《短距離及類似設(shè)備電磁照射符合性要求和評估方法》、《無線電源設(shè)備技術(shù)要求和測試方法第1部分：通用要求》報批稿;2012年，中國國家標準化管理委員會批準了第一個無線充電國家標準計劃——電子信息產(chǎn)品低功率無線充電技術(shù)規(guī)范；全國信息技術(shù)標準化委員會也啟動相關(guān)工作，由中國電子、桑菲通信、電信研究院、海爾等9家企業(yè)和機構(gòu)組成標準起草小組，進行頻率、協(xié)議方面的研究以及標準草案的起草。從企業(yè)層面來看，“INPOFI無線充電聯(lián)盟”接納了包括手機、平板電腦、相機等企業(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際上推廣自己的INPOFI智能無輻射充電技術(shù)標準，勢必受到多方阻擊。因此政府對推動自主無線充電技術(shù)標準、打破國外技術(shù)壟斷具有至關(guān)重要的作用。

　　三是參與國際競合能力亟待增強。從關(guān)鍵領(lǐng)域看，國外無線充電技術(shù)最主要的領(lǐng)域是充配電及電能存儲、磁體材料、電動汽車；國內(nèi)有將近一半比例集中于充配電及電能存儲，其他領(lǐng)域分散而零碎，特別是電動汽車領(lǐng)域較少。從區(qū)域發(fā)展來看，目前中國市場上有25%左右的無線充電專利來自于日本、中國臺灣、美國、韓國、德國等地區(qū)。此外，廣東、江蘇、北京、浙江、上海、山東等六個地區(qū)無線充電專利申請數(shù)量占據(jù)中國本土申請總量的80%左右。從競爭機構(gòu)看，國內(nèi)前20強中，有國外企業(yè)9個、國內(nèi)企業(yè)5個(國家電網(wǎng)、海爾、中興通訊、奇瑞汽車等)、大學(xué)6個(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，國內(nèi)企業(yè)的實力較弱。

01主要優(yōu)勢

　　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)域面積相對的減小，但減小的占地面積份額不會太大。

　　2. 技術(shù)含量高，操作方便，可實施相對來說的遠距離無線電能的轉(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)，不會太遠。

　　3. 操作方便。

02主要劣勢

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

　　2. 因?qū)崿F(xiàn)遠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越大。

　　3. 無線充電技術(shù)技術(shù)設(shè)備本身實現(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。