無線充電技術的原理與應用

葉羽昊

（廣東工業大學材料與能源學院，廣東 廣州 510006）

1 無線充電技術的概念與現狀

無線充電技術基于無線電能傳輸（Wireless Power Transfer，WPT） 技術，將電能轉化為電磁能、光能、聲能，從而實現電源能量的無接觸傳遞。無線充電技術可以廣泛應用于電子產品、電動汽車、智能家居、工業等領域。這里簡要介紹電動汽車和手機的情況。

無線充電將為解決電動汽車充電難提供解決方案。2018 年，寶馬公司推出了世界上第一款量產的無線充電汽車，其搭載的無線充電設備可以在3.5 h充滿容量為9.4 kW·h 的高壓電池組[1]。沃爾沃公司研發的一項無線充電技術，充電功率可以超過40 kW，充電速率堪比50 kW 直流快速充電樁，比接線的11 kW 交流充電樁快4 倍左右[2]。以上這些都是靜態無線充電。而動態無線充電即對行駛中的汽車進行無線充電，目前主要是以充電公路的模式進行試驗。在美國康奈爾大學的一項研究中，車輛駛入一個布滿線圈的車道，即可實現無線充電[3]。2013 年，韓國科學技術院（Korea Advanced Institute of Science and Technology，KAIST） 的Cho Dong-ho 教授主持在韓國龜尾市建成了一條長約12 km 的無線充電道路（充電公路），經過改造的公交車在這條充電公路上可以一邊行駛一邊充電，充電效率達到85%，功率可達100 kW[4]。中國南方電網高級工程師祝文姬于2016 年建造出國內第一條為電動汽車進行無線充電的車道，目前該車道所能提供的最大功率是30 kW。一部電池容量為24 kW·h 的電動汽車，不到1 h 即可充滿電，續航可達到100 km[5]。圖1 為德國亞琛工業大學無線充電車道示意圖[6]。

圖1 德國亞琛工業大學無線充電車道示意圖

手機無線充電中，配置了無線充電功能的手機，內部裝有接收線圈，充電時將手機放置于無線充電底座（內有發射線圈），即可實現無線充電。如果是沒有配置無線充電功能的手機，則需要接連一個無線充電接收器[7]。圖2 為手機無線充電原理示意圖[8]。

圖2 手機無線充電原理示意圖

2 無線充電的原理與模式

目前無線充電的主要模式有電磁感應式和磁共振式。電磁感應式的基本原理是使導體在變化的磁通量當中產生感應電動勢，從而實現電與磁的相互轉化。電源的感應電動勢的計算公式為

式中：ε 為電源的感應電動勢，V；n為線圈的匝數；Δ? 為磁通量的變化量，Wb；Δt為時間的變化量，s。電磁感應又有兩種方法：一是導體棒在磁場中與磁感線相交式地移動；二是將磁體放入線圈之中，上下移動產生電源的感應電動勢。

電磁感應式無線充電系統的近距離傳輸效率比較高，隨著距離的增加，其傳輸效率會越來越低，適用于短距離無線供電，如手機充電。圖3 為電磁感應式無線充電系統原理示意圖[9]。

圖3 電磁感應式無線充電系統原理示意圖

磁共振式無線充電系統主要由發射天線（發射線圈） 以及接收天線（接收線圈） 等構成，基本原理與電磁感應式相差無幾。發射線圈創造一個會變化的磁場，接收線圈則把發射線圈產生的變動磁場轉化為電能。受發射線圈和接收線圈距離的影響，其傳輸的功率不會太高。它主要應用在較遠距離的無線供電中，如電動汽車充電。圖4 為磁共振式無線充電系統原理示意圖[10]。

圖4 磁共振式無線充電系統原理示意圖

磁共振式無線充電系統應用于電動汽車無線充電時，通常采取兩種形式：單級導軌和多級導軌。圖5 為單級導軌原理示意圖。單級導軌只有一套回路，即整個路面上只有一個環狀的發射導軌，電網的交流電輸出，使得由導軌圍起來的空間布滿了高頻磁場，通過磁通量的變化來實現電動汽車的無線充電[11]。在此模式下，如果在路面上行駛的車輛較少，整個無線充電裝置所耗費的成本會很高。此外，此裝置不穩定，充電效率得不到相應的保證。

圖6 為多級導軌原理示意圖。多級導軌指的是路面上有多個線圈（相較于單級導軌，發射導軌被分割成了多段導軌），每個線圈都會裝上相應的變換裝置，當電動汽車途經某段路面的時候，該路面的線圈就會通上高頻磁場，從而給電動汽車充電。而其他部分（即電動汽車已經駛過或未駛入的路段） 的線圈，則會保持關閉狀態，從而提升整個系統的充電效能。當某一導軌出現故障時，其他導軌的正常運行不受影響，這就是單層多級導軌模式。相較于單級導軌，這種模式增加了系統維護的難度，且并非特別穩定。因此，在單層多級導軌模式的基礎上，衍生出了雙層多級導軌模式。

圖6 多級導軌原理示意圖

相比較于單層多級導軌模式，雙層多級導軌模式則是將多段導軌改換成多組導軌[12]，即每組導軌都有一個變換開關，相互單獨控制，而每組導軌里邊又有多段導軌，根據自身通過電流的情況，來改變線圈磁場大小，使得線圈系統更加容易維護，也更加穩定。

3 無線充電所使用的材料

目前無線充電的重要部件一般使用軟磁鐵氧體材料，該材料成本較低，卻可以提高磁場強度，提升充電效率和用戶的充電體驗。圖7 為軟磁鐵氧體材料。

圖7 軟磁鐵氧體材料

大部分固定位置型的無線充電器使用釹鐵硼永磁片作為定位的材料（這種無線充電器指的是小型無線充電器，而大型的無線充電器一般用永磁鐵氧體材料來降低成本）。釹鐵硼永磁片體積小，質量輕，性價比較高，從而備受制造產業的青睞。圖8為釹鐵硼永磁片。

圖8 釹鐵硼永磁片

當前使用最多的導體材料是銅。表1 為不同導體材料的電阻率。根據表1 可知，在20 ℃的環境中，銀的電阻率為1.6×10-8Ω·m，而銅的電阻率為1.7×10-8Ω·m，二者的電阻率相差無幾，而銅的成本遠遠低于銀，因此選用銅作為導體材料是性價比較高的。

表1 不同導體材料的電阻率

4 無線充電的問題及短期解決方案

4.1 問題一：充電效率

目前手機無線充電效率約為80%，主要原因是手機線圈和底座線圈難以達到完全對準的狀態。目前絕大部分手機在進行無線充電的時候都沒有引導材料（例如磁鐵等） 來保證手機線圈與無線充電器線圈完美對準，從而產生過多的熱量，導致了能量的損耗。而在電動汽車的無線充電中，因線圈問題而造成的熱量損失可能會遠大于手機的無線充電。

短期解決方案：在手機線圈和無線充電器線圈加裝磁性裝置（目前為止有部分品牌的手機已經做到），使其更加穩定，提高充電效率。根據式（1），在磁通量的變化率不變的情況下，線圈匝數越多，電源電動勢越大，功率的計算公式為

式中：P為功率。根據式（2），在電阻一定的情況下，電源的感應電動勢越大，電源輸出功率也就越大。

但是隨之出現的問題依舊是發熱過大，因此，降低能量的損失十分必要。以下分析討論是根據環境溫度保持不變的情況進行考慮的。導體電阻的計算公式為

式中：R為導體電阻；ρ 為導體電阻率；L為導體長度；S為導體橫截面積。根據式（3），在導體橫截面積和導體長度一定的情況下，導體電阻率越小，導體電阻也就越小。表征導體發熱量的內能的計算公式為

式中：Q為內能；I為電流；R為導體電阻；t為時間。在電流與時間一定的情況下，導體發熱量就會因為導體電阻的變小而變小，從而控制能量的損失程度。

由于線圈材料的電阻率影響了線圈電阻大小，因此解決問題的關鍵是線圈材料，能否找到比銅的電阻率更低并且價格便宜的材料，就是未來的探究方向。

4.2 問題二：電磁輻射

無線充電中電磁輻射帶來的安全問題是人們較為關注的。隨著科技的進步，這些問題被陸陸續續地解決，但仍存在使用環境（例如使用溫度、使用時的電壓與電流等）、不同國家對電磁輻射的安全要求不同等問題[13]。目前對于無線充電的研究側重于提高充電效率，隨著無線充電技術的不斷普及，電磁輻射的安全問題應引起進一步的重視，以實現更為安全的無線充電。

5 無線充電技術的前景

在電磁感應式無線充電系統方面，成立于2008年的無線充電聯盟（Wireless Power Consortium，WPC） 制定的國際無線充電標準Qi 是目前較為主流的工業標準，隨著標準覆蓋面的擴大，未來人們將像使用Wi-Fi 一樣，便捷地對多個移動終端進行無線充電。此外，電磁感應技術也可以應用于電動汽車的無線充電，在汽車安裝電磁感應接收件，在地面安裝控制模塊，即可將現有的停車場改造為具有無線充電功能的停車場。

在能源的來源方面，太陽能無線充電器將為無線充電提供充足、環保的能源。在實驗中，有兩種系統方案：一種是在太陽光照足夠的情況下，利用太陽能板將太陽能轉化為電能，通過供電電路將電能傳送到無線充電板上，進行持續的充電；另一種是在太陽光照較弱的時候，利用單片機進行電壓監測。根據電源電動勢的變化情況，對用戶進行安全警報，提醒用戶是否繼續利用太陽能進行充電，或者是調整開關使用充電板所連接的蓄電池對手機進行高功率充電。

目前，太陽能無線充電較大的問題是充電效率太低。實驗表明，利用實驗太陽能無線充電器為一部電池容量為3 070 mA·h 的手機充電，從5%至100%花了將近6 h[14]。隨著技術的發展成熟，太陽能無線充電的充電效率可望持續提高。

6 結束語

本文闡述了無線充電的概念與現狀、原理與模式、使用材料、存在問題及發展前景。隨著移動耗電設備的普及，無線充電的需求將會越來越大，除了手機、電動汽車外，無人機、相機、機器人、醫療器械、筆記本電腦、智能家居等均可發展無線充電。因此，無線充電技術具有相當可觀的發展前景。提供更為高效、安全、便捷、環保的無線充電，是無線充電技術的發展方向。