手機無線充電原理及外部因素對充電效率的影響

王毓延 劉寶君 張月良

摘 要：傳統的有線式充電方式由于存在數據線的束縛以及充電口的頻繁插拔不僅犧牲了用戶便捷的充電體驗還帶來安全隱患。通過無線充電技術減少了插拔的麻煩，同時亦避免了接口不適用，接觸不良等現象，提高了手機充電的便攜性、安全性以及兼容性。文章從手機無線充電原理、無線充電系統結構以及外部因素對無線充電傳輸效率的影響等方面進行研究。

關鍵詞：無線充電;傳輸效率;手機;電磁感應

中圖分類號：TM910.6 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）21-122-02

Abstract： The traditional wired charging mode not only sacrifices the user's convenient charging experience， but also brings security risks due to the binding of data lines and the frequent plugging and unplugging of charging ports. Through wireless charging technology， the trouble of plug-in and plug-in is reduced， and the phenomenon of unsuitable interface and poor contact is avoided， so the portability， safety and compatibility of mobile phone charging are improved. This paper studies the wireless charging principle， the structure of wireless charging system and the influence of external factors on wireless charging transmission efficiency.

Keywords： Wireless charging; Transmission efficiency; Mobile phone; Electromagnetic induction

CLC NO.： TM910.6 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）21-122-02

引言

傳統的有線充電方式通過電源適配器、插座面板等進行充電，但此充電方式由于需要頻繁的插拔充電頭和手機接口，產生數據線的磨損、摩擦極易產生電火花，降低充電的安全性以及可靠性，大大縮短充電裝置的使用壽命。

無線電能傳輸技術主要有磁場共振、電磁感應、無線電波三種傳輸方式。磁場共振是由能量發送裝置和能量接收裝置組成，當兩個裝置達到相同的頻率，即可相互交換能量，此方式傳輸功率大可達幾千瓦，傳輸距離長，能達到3～4m的無線傳輸，但需要在特定的頻率下進行傳輸，技術難度較大。電磁感應式通過初級線圈產生一定頻率的交流電，使得在次級線圈中產生一定電流，實現能量的轉移。電磁感應式無線充電成本較低、結構簡單，但傳輸距離較短，一般不大于1cm，傳輸功率一般在幾百瓦左右。無線電波式通過整流濾波等實現從微波到電能的轉換，實現能量的無線傳輸，無線電波式能量可傳輸距離最遠，但其安全性及穩定性較低，技術難度較大。通過分析對比現階段主流的3種無線電能傳輸方式，容易得出電磁感應技術是實現手機無線充電較為合理的方式。

1 電磁感應無線充電的原理

電磁感應式無線充電由送電線圈（下）、受電線圈（上）兩部分組成，接通電源，電流流過送電線圈（下）時線圈將電能轉化為磁能，產生交變磁場，當智能手機靠近送電線圈（下）時，被線圈產生的交變磁場所切割，從而智能手機內部的受電線圈（上）產生交變電流，電磁感應充電原理圖如圖2所示，當交流電傳輸到智能手機后再通過電容，達到諧振，傳輸到IKTARA_AC1和IKTARA_AC2處進行整流，將交流電變成直流電，對智能手機進行充電。

2 無線充電傳輸效率的影響因素

2.1 一次及二次側線圈的尺寸及線圈間距的影響

徐百匯，李達，高嵬等人在2019年提出一次、二次側線圈的間距 z，二次、一次側線 圈直徑比值D2/D和線圈的品質因數Q值都會影響手機無線充電的傳輸效率，試驗指出當D2 /D<0.3、z/D>1時，無線充電傳輸效率會顯著降低。當z/D<0.1、0.50.3、z/D<1時，無線充電效率較高。此觀點的提出為無線充電的發展提供了一個新的方向。

2.2 溫度對無線充電傳輸效率的影響

為保證實驗數據的詳實可靠，令室溫分別為20℃以及0℃（室溫為0℃時為模擬為無線充電裝置添加散熱系統），使用一輸入功率為最大5V-20V=1.35A，輸出功率為最大20W，執行標準為Q/HDXMT0003-2018的無線充電裝置對機器型號為小米9、初始電量為0%的手機進行電能傳輸。記錄不同時間點能傳輸所產生的熱量以及不同溫度下充電功率的變化情況，并得到最終充電完成的時長。

根據相關實驗，從以上數據可以看出，室內溫度在20℃時手機的電量變化，表現為溫度低、充電功率大時，充電速度較快，溫度高、充電功率小時，充電速度較慢，設備充滿電的時間為86分鐘。室內溫度在0℃時手機的電量變化，表現為整體充電效率較為平穩，設備充滿電的時間為57分鐘。當室內溫度在20℃時無線充電裝置的溫度變化，溫度隨時間的增加而增加，并最終保持在40℃左右。而當室內溫度在0℃時無線充電裝置的溫度變化，溫度隨時間的增加而緩慢增加，并最終保持在30℃左右。室內溫度在20℃時無線充電裝置的功率變化，功率隨溫度的增加而下降并保持在10W左右。室內溫度在20℃時無線充電裝置的功率變化，因設備溫度相對較低，功率一般在19W左右，僅有較小波動。

3 總結

結合試驗分析得出，溫度是影響無線充電傳輸效率的主要因素，無線充電裝置電子設備的發熱功率將會朝著遞增趨勢發展下去，無線充電裝置的發熱控制技術也必將迎來更大的挑戰。因此解決無線充電過程中發熱所帶來的的影響，將是未來幾年該領域的研究重點。

參考文獻

[1] 黃學良，譚林林，陳中.無線電能傳輸技術研究與應用綜述[J].電工技術學報，2013.28（10）：1-11.

[2] 范興明，莫小勇，張鑫.無線電能傳輸技術的研究現狀與應用[J].中國電機工程學報，2015，35（10）：2584-2600.

[3] 邱海平.電子元器件及儀器的熱控制技術[M].北京：電子工業出版社，1991.1-11.

[4] 熊承龍，沈兵，趙寧.基于電磁感應的無線充電技術傳輸效率的仿真研究[J].電子器件，2014（1）：131-133.

[5] 徐百匯，李達，高嵬.電磁感應式手機無線充電系統研究[A].電器與能效管理技術，2019.17.013.