手機無線充電技術的研究

劉志強，高大林，薛正躍，黃吉，高國艷合肥工業大學

手機無線充電技術的研究

劉志強，高大林，薛正躍，黃吉，高國艷
合肥工業大學

隨著手機行業的迅猛發展，人們對于手機充電技術的要求也逐漸提高。對傳統的無線技術進行改進，改造充電器插口，實現快充、閃充，在加快充電速度上力圖滿足市場需求。但是由于傳統數據線的多次抽插會對充電器造成損害，數據線長度有限，導致無法實現隨時充電的愿望。基于此，手機的無線充電技術再次進入大眾視野。從2012年諾基亞的首臺Lumia系列無線充電手機開始，不到十年的時間，各種無線充電手機令人眼花繚亂。盡管如此，但是目前基于電磁感應或者電磁共振方式的無線充電技術對充電距離仍有嚴格限制，而且存在傳輸效率低、電磁輻射可能對人體造成損害等問題，因此需要進一步對手機無線充電技術進行探究，尋找合適的解決辦法。

手機行業；無線充電；傳輸效率；充電距離

基金來源為合肥工業大學2015年國家級大學生創新創業訓練計劃項目資助，項目名稱：無線電源，項目編號201510359027。

1.引言

隨著信息技術的高速發展，通信手段日新月異。手機作為信息技術的寵兒更是獲得了迅猛發展，但是傳統的有線充電技術因其受到數據線的限制、頻繁拔插導致充電器的損害以及更換電池的繁瑣等不足，已逐漸難以滿足人們的消費要求。進而，無線充電技術逐漸顯露視野。無線充電技術擺脫了數據線的限制，在限定范圍內實現快速充電，兼有移動充電器的功能，但也因其電磁輻射大、充電的效率低、發熱高等缺點阻礙了無線技術投入使用。近年來，手機制造商紛紛將目標投向無線沖電技術，加大科技投入，試圖在無線充電領域成為贏家。對手機無線充電技術進行了解和進一步探究，有助于我們加深大眾對這一技術的理解。

2.無線充電技術

無線充電技術，又稱為感應充電、非接觸性充電，它來源于無線的電力傳輸，曾經因傳遞效率低且電磁輻射過大而宣告失敗。手機的無線充電技術是在手機中植入接收器，將電源產生的磁場能轉化成電能，供手機充電。

2.1 無線充電技術的歷史

提及無線充電技術，有一位科學家功不可沒--尼古拉·特斯拉，在19世紀末期，尼古拉·特斯拉成功進行了短波無線通訊實驗。到1986年，美國的一位工程師提出在地球外建立太陽能發電站，以微波的形式將電能傳遞進地球，也就是所謂的“空間太陽能發電”構想。之后十年里，美國航空航天局聯合能源部提出太陽能計劃，只是因當時國情限制，發展緩慢，稍后，歐盟和日本也開始加入此行列。從小層面上來說，2007年，麻省理工的研究團隊僅利電源和電磁感應器成功將兩米開外的一個60W的燈泡點亮，為無線充電技術的發展點亮曙光。2012年諾基亞發布的兩款智能手機-Lumia920和820打響了手機行業無線充電技術的戰役。近年來，擁有無線充電技術的手機越來越多，也出現了很多問題亟待解決。

2.2 無線充技術的原理

無線充電技術原理可分為電磁感應和感應電動勢。通過提供不斷變化的磁通量，產生感應電動勢，完成磁能到電能的轉化。無線充電技術主要包括發射模塊和接收模塊。首先是發射模塊的電源提供的交流電經由整流濾波轉化成直流電，再通過高頻逆變將直流電轉換成高頻的交流電，之后經由磁芯內的初級線圈和次級線圈構成的分離變壓器，由接收裝置接收磁能，轉化成電能供手機使用。除了上述最為常見的電磁感應方式外，還可以通過無線電波和電磁共振的方法進行。

3.手機無線充電技術的研究現狀

2015年，三星主打手機的無線充電功能，Iphone更是希望在手機殼中放入接收裝備，僅通過更換手機殼就能實現無線充電。而在這一過程中，手機的無線充電技術經歷了幾個發展階段。第一代的無線充電使用了電磁感應技術，其實就是充電板，將手機無須與數據線連接，只要放置于充電板上就可以實現無線充電，但是由于手機背部的接受裝置范圍小，必須實現接收裝置與充電區域的準確對接才能順利充電，且由于兩級線圈耦合度低，能量傳遞效率不足有線傳遞的70%，因此，這種充電方式需要的時間更長。之后第二代無線充電器從2007年的無線電力傳輸實驗成功獲取靈感，使用電磁共振方式在增加頻率的同時，以藍牙通信取代磁場耦合，實現了充電技術的穩定性和一對多充電的目標。這種充電距離在10cm左右。與電磁感應式無線充電相比，磁共振式無線充電的傳輸距離更長且對接收裝置與充電板的對合準確度要求放寬。相應地，針對電磁感應和電磁共振方式的無線充電技術標準也先后建立，并在吸取彼此經驗的基礎上進行融合、修正。目前最受歡迎的Qi標準就是對電磁感應式無線充電技術的規定標準，這一標準的能量傳輸效率在70%左右，而且無線充電裝置都具有智能化特點，能將手機接收裝置與充電區域對準，自動識別手機是否已經完成充電，相較于傳統的有線充電技術更加智能、環保。這兩種方式下已有多種手機面世，但都未能擺脫充電板的束縛，雖然無須進行數據線的拔插，但是依然要求手機在充電時放置到充電板上，嚴格說，這種無線充電技術依舊難以滿足人們的需求。

4.手機無線充電技術的發展方向

盡管通過電磁感應和電磁共振方法已經生產出了多種可以使用無線充電技術的手機，但是現實是這種無線充電技術對距離的限定仍然十分嚴格，大致在10cm數量級，而且即便再這個范圍內，也有著傳輸效率低的問題。這種情況下，電磁波式的無線充電技術引起人們的向往。利用無處不在的電磁波實現隨時隨地的遠距離充電，真正實現無線充電。但這一技術傳遞效率低的缺陷會更加明顯。如何提高無線充電技術的傳輸效率，將現有的閃充、快充技術與無線充電技術融合，如何降低無線充電過程中的電磁輻射，減少對人體的傷害，這都是需要進一思考的問題。

5.結論

無線充電技術由來已久，從19世紀末尼古拉·特斯拉短波無線通訊實驗的成功開始進入人們視野，到2007年的麻省理工團隊使其曙光再現，之后的不到十年的時間里，手機行業的無線充電技術儼然成了眾多手機制造商競相爭奪的領域。通過電磁感應、電磁共振已經生產出多種手機，但是目前仍存在傳遞效率低、傳遞距離短，無法擺脫充電板束縛等缺點，這些缺點是手機無線充電技術前進路上的絆腳石，需要手機制造商們加大科研力度，改善現有癥狀，實現真正意義上的無線充電。

[1]孟慶奎.手機無線充電技術的研究[D].北京郵電大學,2012.

[2]Richard Adhikari,李璐.無線充電技術2013年或邁入技術成熟期[J].通信世界,2012（34）：23-23.

[3]劉靖.手機無線充電技術的研究[J].數字化用戶,2013（36）.