无线充电前世今生解释

《无线充电前世今生解释》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无线充电前世今生解释（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、无线充电前世今生解释无线充电指的是将电能透过非导电的物质传递。在实际应用中，通常指的是将电能透过一定的 空间距离进行传递。无线充电的起源无线充电技术或者说无线电能传输的起源可以追溯到19世纪末期。由于电能的产生地与使用地 往往存在很大的距离差异，而有线的输配电系统还没有建立起来，早期的科学家希望能够无线地把 电能传输到使用地，于是就有了无线电能传输的需求。不少科学家在这个领域做了研究，其中以尼 古拉?特斯拉（Nikola Tesla）为典型代表。（就是特斯拉汽车纪念的那哥们。关于特斯拉在无线充 电领域所做的一些工作以及相关的一些野史趣闻大家可以自行百度。很多人认为特斯拉是疑似穿越 者。）早期的

2、这种无线电能的传输都指的是远距离（以km为计量单位）的大功率（至少是kw级别） 的电能传输。以这个目的来开展的无线电能传输的研究最终都以失败告终。但相关的基础理论研究 由此开展并延续下来。在100多年后的今天，我们再回过头来看当年设定的这个无线电能传输的目 标，发现它仍然是遥远的难以实现的。而到了近代之后，无线电能传输的需求逐渐被无线充电的需 求所取代。这里的无线充电都指的是相对近距离（米级或更近）的电能传输。近代无线充电技术的发展无线充电的概念起源很早。早期对无线电能传输的应用尝试基本都失败了。进入新世纪之后， 无线充电技术又重新被关注起来。其背后的原因是什么呢？这一轮的尝试是否还会重蹈历史

3、的覆辙 并最终归于平淡？近代无线充电技术的兴起，有几个先决条件。首先是电网系统的完善。在世界的大多数国家，电网作为基础设施，经过几十或者上百年的发 展，都已经比较完善。人们可以较为方便地从电网得到电能的供应。电能已经不再如百年前一样稀 缺。基本上有人的地方就有电能的供应。也就是说跨区域的长距离无线电能传输的需求大范围内消 亡了。其次是，电源技术得到了快速的发展。电力电子作为一个专门的学科出现大致始于上个世纪60 年代。伴随着航空技术的发展，受到太空竞赛的刺激，航天电源的需求增加，因而电源技术也得到 了发展和完善。经过几十年的发展，开关电源理论以及半导体器件的制作工艺均得到了很大的发展。 现阶段

4、人们可以更为容易地实现高频开关电源，实现更好的功率密度和更高的电源效率。第三点也是最重要的一点是区域内无线充电需求的提高。随着移动互联网技术的发展，各种智 能终端设备越来越普遍。在中国2014年的智能手机出货量达到了惊人的4亿部。而人们在要求智能 设备更快的上网速度，更快的运算速度，更清晰的显示效果的同时，各种智能设备的电能需求也在 不断的提高。受限制于电池技术，智能设备的续航时间成为困扰用户的最大问题。在功能机时代， 常见手机的使用时间可以轻松达到一个星期。而进入智能机时代，虽然电池的容量增大了 3倍以上, 智能手机的续航则下降到了一天左右。因此无线充电作为一种简易可行的智能设备充电方式受到

5、了 越来越多的关注。无线充电技术对于智能手机的意义如何呢？我们回顾一下智能手机的发展历史。从2012年小米 的第一款手机发布开始，智能手机厂商开始了一轮疯狂的配置大战，从双核CPU, 1G内存一直厮杀 到八核4G内存，手机摄像头也从500万像素冲到了夸张的4000万像素。在一轮硬件配置的比拼之 后，国产智能手机的同质化也越来越严重。差异化竞争成为智能手机厂商的必然选择。对性能参数 的追求也将逐渐转移到对用户使用体验的关注上。在这种环境下，无线充电技术还是有很大的发展 机会的。以上三个条件结合在一起，使得无线充电技术的发展成为了可能。这里稍微提一下业界的现状并解释一下为什么我以智能手机行业来举例

6、子。近些年来无线充电 领域学术界更多的关注热点并不是在小功率的消费类电子，而是在更大功率等级的电动汽车无线充 电。究其根源是主流的汽车厂商为高校的研究提供了充裕的经费支持。然而从市场端来看，消费类 电子行业的发展变化速度显然比汽车行业的变化速度要快速得多。汽车从一百年前出现到现在，经 过了一个世纪的发展，本质上变化并不是特别多。当然值得一提的是，特斯拉电动汽车的出现，对 行业的变革起到了一定的促进作用。反观消费类电子市场，行业竞争是极度惨烈的。这一点也会导 致新的技术在这一领域可能得到更加快速的大规模应用。-无线充电技术的分类-无线充电有多种实现的方式，较为常见的有：（1）磁场感应；（2）磁场

7、共振；（3）电场感应； （4）电磁波等。概括来讲，第一种和第二种最为常见，都是利用空间磁场传递能量。第三种是利用 空间电场。第四种是利用空间电磁波。我们通常认为电和磁是关联的，所以觉得上述的四种方式都 差不多。然而这四种方式中，第四种是最特殊的。利用空间电磁波的方式是四种方式中唯一可以实 现远距离无线充电的。它的工作频率是最高的，通常都在几百兆赫兹以上，比另外三种最少要高两 个数量级即100倍以上。与其他三种方式相比，只有它的能量是对外发射出去的。利用电磁波进行 无线充电并不是一种主流的方式，其原因我会在后文中提到。-四种无线充电技术的比较-现阶段市面上最主流的无线充电技术是采用的第一种即磁感

8、应原理。?磁感应的原理在电力电子技术中应用的历史是相当悠久的。其应用的最典型的代表是“变压 器”。（变压器即transformer,这里不是指变形金刚）变压器有两个绕组，一个原边绕组一个副边 绕组，二者通过磁性材料联系在一起。当原边绕组通过交流电的时候，在绕组周围产生空间的交变 磁场，该磁场大部分被磁性材料束缚并经过副边绕组。副边绕组所围绕的空间由于有交变磁场的存 在而感应出交变的电流。这个原理是法拉第的电磁感应定律，即导体切割磁场会产生电动势。由于 原边绕组和副边绕组之间没有电的连接，变压器中已经实现了电能的无线传输。注意，磁性材料只 是为了束缚磁场（磁通），它本身并不是为了来导电的。下图中

9、第一幅是变压器的原理示意图。第二幅图是我们常见的工频变压器，小区里很常见。第 三幅图是苹果的电脑笔记本适配器，它里面也有一个变压器。由此可以知道，变压器遍布在我们生 活的角落。在常规变压器中，磁性材料的作用是引导原边绕组所产生的大多数磁通的方向。如果将磁性材 料去掉，原本的变压器就变成了空心变压器。空心变压器与常规电压器的最大区别就是原边绕组产 生的磁通中会有相当一部分并不经过副边绕组。即原边绕组和副边绕组的磁场耦合程度降低。如果 将原边绕组和副边绕组都制作成平面的形式，就构成了无线充电设备的两个关键部件，即无线充电 发射器和无线充电接收器。下图是三星Galaxy S6原边发射器的拆解图。左侧

10、的线圈即是原边的发 射线圈，也就是空心变压器的原边绕组。为了和原边线圈配合使用，需要在待充电设备中添加一个副边绕组从而构成一个空心变压器。 下图给了一个用于iphone的无线充电贴。它和上图左侧的线圈一起构成了一个空心变压器，从而实 现能量的无线传输。由此可见，感应式无线充电的原理是很简单的，其本质和生活中随处可见的变压器没有区别。 为了推广磁感应无线充电技术，香港城市大学主导成立了一个国际标准组织，WPC （wireless power consortium）。这一标准是为了统一无线充电技术，并保证不同厂家所生产的设备之间能够互通共用， WPC组织在2012年年底推出了第一个无线充电的国际标

11、准Qi标准。Qi的发音来自中文“气”，寓意 为无形的能量。该标准一经推出即受到业界的推崇，主流的芯片厂商和电源设备厂商均加入该标准 组织。截止2015年9月，WPC组织共有217家成员。下图是主要的成员。基于磁感应技术的国际标准组织还有一个是PMA。该组织在2015年与主导磁共振技术标准的 A4WP组织合并（后文会讲到），这里就不过多叙述。第一款符合Qi国际标准的智能手机是2012年诺基亚推出的Lumia810。回顾一下诺基亚前几年 在智能手机方向的一系列动作。可以清晰的地看到一开始诺基亚就是试图押宝Qi的磁感应无线充电 技术的，寄希望于能够靠无线充电这一特点扭转诺基亚在智能手机行业的颓势。在

12、没有收到很好的 效果之后，诺基亚又押宝在拍照效果上,直接把智能手机做成了可以打电话的相机。当然由于windows phone的生态环境问题，诺基亚最终没有实现逆转，最终将手机部门卖给了微软。而三星在近几年 感受到了国产手机的巨大竞争压力之后，也在最新的旗舰机型S6上，押宝在无线充电技术上，并将 无线充电接收设备内置进手机。第一代磁感应无线充电技术最为人诟病的是使用时空间自由度低。即充电区域的面积很小，手 机需要准确地放置在这个位置上，且不能有较多的垂直间隔。这一点从上图三星S6充电器拆解之后 的线圈面积可以看出，也可以从手机背贴的面积大小上进行推断。只有手机背贴的线圈和充电器里 的线圈位置正对

13、时，才能够进行无线充电，其有效充电面积大概是两个一元硬币大小。这一点使得 很多人在使用时经常遇到因为对不准位置而造成充电失败的情况。这种情况的多次发生就极大的影 响了用户使用体验。换言之，较高的学习成本阻碍了这种技术的广泛应用。目前采用第一代无线充电技术的产品型号较多，除三星S6的原装无线充电器之外，没有特别明 显的领导品牌。国内的耐尔金和亿品算是不错的品牌。?为了提供更好的空间自由度，从而改善用户使用体验，第二代无线充电技术即磁共振无线充 电技术应运而生。上文讲到空心变压器与常规变压器最大的区别是空心变压器的原边线圈和副边线 圈的耦合程度低，即只有部分原边线圈产生的磁通会经过副边线圈。线圈耦

14、合程度低是能量传递通 路不顺畅的一个表征。与第一代磁感应无线充电技术相比，磁共振无线充电的核心思想是通过对偶 的谐振器件（电感和电容）将能量通路控制得更加通畅。现代意义的磁共振无线充电技术受到关注 的起点源于MIT的一个实验室。该实验室在2008年展示了一个实验，隔空地点亮了一个60W的灯泡， 系统的效率大概是15%左右。网上号称的40%效率指的是无线传输部分的效率而不是整机效率。该实 验结果一经公布即得到了学术界和工业界的广泛关注。人们第一次认识到原来无线充电可以做到这 样的程度。当然这并不意味着我们的手机也可以隔2米进行充电。因为充电距离实际上是和用于充电的线 圈大小有着直接关联的。在MI

15、T的实验中，用于能量传递的两个线圈的直径在60厘米左右。而对于 我们最关心的智能手机而言，以iphone6为例，可以用于放置无线充电线圈的宽度大概在6厘米左 右，所以最终所能够达到的无线充电距离会远小于2米。10厘米量级会比较有可能实现。即比较切 实可操作的无线充电距离是1到2倍的系统特征尺寸。在2012年，高通，三星，博通，In tel等公司主导成立了新的无线充电国际标准组织，A4WP （alliance for wireless power）。截止 2015 年 9 月，A4WP 已经有成员 150 家。并且在 2015 年 A4WP 与原有的专注于磁感应无线充电技术的国际组织PMA合并。

16、A4WP推出的国际标准称之为“rezence”，由resonant essence两个字合并而来。该标准规定了高频共振式无线充电系统应该 遵从的统一规范，从而保证各厂商之间的设备能够共通互用。与基于磁感应的Qi的标准相比rezence的标准具有三个主要特点：（1）开关频率6.78MHz，比 Qi的工作频率高大概30倍到60倍。Qi的工作频率可以是变化的。（2）磁共振无线充电系统。发射 边和接收边的系统谐振参数应基本保持一致。（3）通讯不再通过磁场耦合而是利用蓝牙进行通信。 这样可以保证通信的可靠性。并且可以支持一对多同步通信。在三个差异中，只有第2点是和共振直接关联的。正如上文中提到，共振的目的是为了让能量 传输的通路更加顺畅。就比如初中物理实验中的音叉实验。敲响一个音叉时，只有和它特征频率相 同的音叉会发出声音。对于WPC组织所制定的Qi标准而言，也可以通过类似的方法将能量传输通路变得顺畅，即采用 磁共振的方式。那么WPC可能推出