淺析無線充電器及其應(yīng)用前景

師 思

（大連電子學(xué)校，大連 116110）

1 無線充電器產(chǎn)生的背景

現(xiàn)代社會，從手機(jī)到運(yùn)動手表，從筆記本電腦到新能源汽車，都需要進(jìn)行反復(fù)充電，以滿足生活需求。從前，傳統(tǒng)的充電方式是有線電能的傳輸，即一端連接交流電源，另一端連接便攜式電子設(shè)備充電電池。不難發(fā)現(xiàn)，這種方式有著一定的弊端，首先頻繁的進(jìn)行插拔，很容易造成機(jī)械損害，導(dǎo)致產(chǎn)品壽命減少，其次，若長時(shí)間未處理充電插頭，很容易造成火災(zāi)，甚至也可能帶來觸電的危險(xiǎn)。因此，人們急需一種新的充電理念，運(yùn)用創(chuàng)新思維，結(jié)合科技發(fā)展現(xiàn)狀，無線充電器應(yīng)運(yùn)而生。

2 無線充電器的種類及工作原理

無線充電器的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是以“無線”的形式，實(shí)現(xiàn)電能的傳輸，無線充電運(yùn)用了無線供電技術(shù)，這是一種新型的能量傳輸技術(shù)。該技術(shù)使充電器擺脫了線路的限制，實(shí)現(xiàn)充電器和電源完全分離。目前，市場常用的有兩類無線充電器，一是電磁感應(yīng)式，二是磁場共振式。它們在工作原理上有所區(qū)別，致使性能和工作特點(diǎn)有所區(qū)別。

2.1 電磁感應(yīng)式無線充電器

根據(jù)法拉第的電磁感應(yīng)原理，可以制作出電磁感應(yīng)式無線充電器。它的工作原理與變壓器的工作原理類似，在發(fā)射和接收端各有一個(gè)線圈，發(fā)射端線圈連接有線電源產(chǎn)生電磁信號。通過一個(gè)振蕩電路，在發(fā)射線圈中產(chǎn)生一定頻率變化的交流電，變化的電流在線圈周圍會產(chǎn)生一個(gè)變化的磁場，經(jīng)接受線圈耦合后，由變化的磁場在接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，進(jìn)而在接收線圈中產(chǎn)生一定的電流，從而將能量儲存在線圈和電容中，最后，再經(jīng)過整流濾波穩(wěn)壓電路提供給電子產(chǎn)品。從而實(shí)現(xiàn)能量的傳輸。電磁感應(yīng)式無線充電器的具體工作過程如圖所示：

圖1 電磁感應(yīng)式無線充電器組成圖

目前市場上家用最常見的無線充電器就采用了電磁感應(yīng)式，可以做成圓板、方板或者直接放置在家中的小桌子，這種充電方式更安全、更靈活、更便捷，性能穩(wěn)定，能量的轉(zhuǎn)換率高，應(yīng)用范圍廣，只要使用同一種無線充電標(biāo)準(zhǔn)，無論哪家廠商的哪款設(shè)備均可進(jìn)行無線充電。缺點(diǎn)是僅適合短距離充電，并且需要擺正位置，金屬感應(yīng)外殼易發(fā)熱。但是，如果對能源汽車進(jìn)行無線充電，由于實(shí)際情況，無法讓汽車這么龐大的物體，直接接觸充電器，因此，需要發(fā)現(xiàn)適合遠(yuǎn)距離傳輸?shù)臒o線充電器，磁場共振無線充電器由此產(chǎn)生。

2.2 磁場共振式無線充電器

磁場共振無線充電器的組成如圖所示，它由能量發(fā)送裝置和能量接收裝置組成，當(dāng)兩個(gè)裝置調(diào)整到相同頻率，或者說在一個(gè)特定的頻率上共振，它們就可以交換彼此的能量，以實(shí)現(xiàn)無線充電的概念。具體來說，電磁共振耦合的能量傳輸方式如下：在兩個(gè)同頻率的諧振體之間產(chǎn)生強(qiáng)耦合，利用收發(fā)兩端的線圈及電容組成諧振電路，以實(shí)現(xiàn)能量的無線傳輸。如下圖所示：

圖2 電磁感應(yīng)式無線充電器組成圖

與電磁感應(yīng)式充電器相比，電磁共振方式能夠?qū)崿F(xiàn)比電磁感應(yīng)方式更遠(yuǎn)距離的傳輸，并產(chǎn)生較小的電能損耗。磁共振方式不同于電磁感應(yīng)方式，無需使線圈間的位置完全吻合。因此，也就不需要把電子產(chǎn)品精準(zhǔn)放置某一區(qū)域。它不僅可以支持物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行快速無線充電，還可以同時(shí)支持多個(gè)設(shè)備同時(shí)充電，也能夠給金屬外殼的智能手機(jī)、平板電腦和智能手表高效充電，不會出現(xiàn)高熱的現(xiàn)象。

3 無線充電器接收端概述

無線充電器有了發(fā)射器，還要有接收器，才能夠?qū)崿F(xiàn)充電。因此需要在無線充電發(fā)射器上放置不同的接收器，接收器中含有接收的線圈與電容諧振組合、整流器、濾波與穩(wěn)壓器直流電源輸出，最終實(shí)現(xiàn)給不同的電子設(shè)備提供穩(wěn)定的直流電的目的。目前的接收器芯片bq51020 和bq51021，以及世界第一個(gè)達(dá)到WPC1.1和PMA 標(biāo)準(zhǔn)的雙模型集成電路bq51221，都已達(dá)到96%的超高效率，可消除5W 的條件下，智能手機(jī)及其他電子設(shè)備中的散熱問題。但是即便如此，無線充電器在目前的市場推廣中還存在很多技術(shù)軟肋。

4 推廣過程中的技術(shù)瓶頸

無線充電器在推廣使用的過程中，憑借新穎的充電模式，受到人們的青睞。在諸多的手機(jī)品牌展示店中，無線充電器已經(jīng)放在展臺中供人選擇了，但是需求度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如計(jì)劃順利，蘋果公司近日宣布確認(rèn)AirPower 無線充電器項(xiàng)目停止，其中最重要的原因便是技術(shù)無法達(dá)到預(yù)期高水準(zhǔn)，蘋果計(jì)劃一次最多能為三臺不同設(shè)備充電，這三臺不同設(shè)備可以是一塊蘋果手表、一副AirPods 耳機(jī)和一臺iPhone。這就需要采取一種特殊的多重線圈技術(shù)，設(shè)備無需在充電板上找到特定的位置，充電器就可以工作。它還配有一個(gè)軟件，能夠在iPhone 上同時(shí)顯示三臺設(shè)備的當(dāng)前充電情況。但是實(shí)際的技術(shù)水平還不能夠滿足這個(gè)要求，因此，推廣過程中，技術(shù)壁壘仍然是主要原因。國內(nèi)品牌小米，它的無線充電器僅僅可以實(shí)現(xiàn)一對一接觸式充電，對位置要求嚴(yán)格，但是通過實(shí)際研究，小米充電器的充電速度、FOD 異物檢測功能、散熱功能比較完善。

5 結(jié)束語

隨著中國科技日益創(chuàng)新，電子產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，多項(xiàng)新生學(xué)科如雨后春筍般成長壯大，科技改變生活已然不是夢想。無線充電器逐步成為人們追求的新的生活方式，從科技概念變成商用產(chǎn)品。電子產(chǎn)品不僅要在功能上改革，也要在創(chuàng)意上占領(lǐng)市場。無線充電技術(shù)的興起，正是創(chuàng)新與技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。創(chuàng)新驅(qū)動產(chǎn)品革新，創(chuàng)意推動核心技術(shù)發(fā)展。無線充電技術(shù)顯示出了廣闊的發(fā)展前景，當(dāng)然這需要進(jìn)一步研究完善核心技術(shù)，市場才會越來越龐大。