無線充電的工作原理講解

無線充電原理

引言：隨著無線充電越來越普及，消費(fèi)電子，工業(yè)儀器，車載等等領(lǐng)域使用越來越普遍，本節(jié)主要講述現(xiàn)階段比較流行的兩種無線充電原理（電磁感應(yīng)方式和磁場共振方式）。

1.電磁感應(yīng)方式

電磁感應(yīng)方式是利用送電側(cè)與受電側(cè)之間產(chǎn)生的感應(yīng)磁通量來傳輸功率，是普遍的無線供電方式，優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單，效率高，可以做到小型化且成本低。缺點(diǎn)是傳輸距離短，容量受位置偏離的影響，必須一對一，精準(zhǔn)對位才能充電。

圖4-1：電磁感應(yīng)方式原理圖

電磁感應(yīng)方式遵循法拉第電磁感應(yīng)定律，法拉第電磁感應(yīng)定律，是在消除磁通量變化的方向上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，如圖4-1，簡述即交流電生成變化的磁場，變化的磁場切割線圈再生成交流電。方程如下：其中ΔΦ/Δt是極短時間內(nèi)穿過線圈的磁通量的變化率。

線圈初級側(cè)供給交流電壓時會產(chǎn)生磁通量，為消除這些磁通量，次級側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。次級側(cè)產(chǎn)生的功率可以用給設(shè)備充電。用于送電初級線圈側(cè)稱為發(fā)射器，受電次級線圈側(cè)稱為接收器。

2.磁場共振方式

磁場共振方式是送電側(cè)與受電側(cè)的

諧振器

與磁場共振，從而傳輸功率的方式，適用于長距離傳輸，作為EV的充電用途正在推進(jìn)開發(fā)，其中如何提高效率成為了研究的重點(diǎn)。磁場共振，只在以同一頻率共振的無線充電線圈之間傳輸，所以其他裝置無法接收。

如圖4-2所示，磁場共振在充電器和設(shè)備之間的電場和磁場中傳輸電能，線圈和電容器則在充電器與設(shè)備之間形成共振。利用磁共振耦合收發(fā)端的磁場同頻共振來隔空轉(zhuǎn)移能量，當(dāng)我們用一個射頻
能量來激勵發(fā)射端時，會在發(fā)射端周圍的空間產(chǎn)生一個功率場，在這個場中的任意位置處任意時刻的磁場和電場之間呈正交關(guān)系，并且在相位上相差1/2π，而且磁場強(qiáng)度遠(yuǎn)高于電場強(qiáng)度，這個空間電磁場它可以儲存能量，但合成的電磁波功率流密度為0，不會傳輸任何能量，也就是說這個場不會向外輻射，也不會向內(nèi)損耗，當(dāng)我們將具有同樣諧振頻率的接收端放置于這個場內(nèi)時，收發(fā)端之間就會產(chǎn)生同頻磁場諧振，能量從發(fā)射端以磁場的形式耦合到接收端，從而實(shí)現(xiàn)能量的空間轉(zhuǎn)移。

圖4-2：磁場共振方式原理圖

磁共振方式從物理原理上屬于非輻射式無線電能傳輸方式，因此在自由空間中的電磁輻射損耗很小，比如一個典型的50W左右的磁共振無線充電系統(tǒng)，它的總的輻射能量不到500mW。

磁共振技術(shù)可以達(dá)成以一（發(fā)射器）對多（接收器）的無線充電應(yīng)用模式，大幅提升實(shí)用性以及便利性?；?a href="http://wenjunhu.com/tags/ai/" target="_blank">AirFuel核心技術(shù)開發(fā)的磁共振無線充電產(chǎn)品，可廣泛用于候機(jī)室，咖啡廳，連鎖酒店，酒吧等等場景，無線供電距離可達(dá)10cm，充電設(shè)備可隨意在平面內(nèi)擺放，移動，充電體驗(yàn)更加自由便捷。

3.電場耦合方式

送電側(cè)與受電側(cè)分別連接電極，使形成電容器，通過高頻傳輸功率以及在對側(cè)電極也有電流流過的現(xiàn)象（諧波電流），從而傳輸功率的方式。雖然與電磁感應(yīng)方式同為短距離傳輸，但不易受到位置偏移的影響，且供電部位發(fā)熱少，但缺點(diǎn)是產(chǎn)生高電壓的變壓器厚度變大。

4.電波接收方式

即送電側(cè)將電流轉(zhuǎn)換為電磁波，而受電側(cè)的天線接收該電磁波，然后在整流電路中將其轉(zhuǎn)換為直流電流，是利用電磁場進(jìn)行供電的方式。具有數(shù)米的長距離傳輸，但效率低是其最大的短板。

5.相關(guān)組織

WPC是Wireless Power Consortium的簡稱，是以無線供電國際標(biāo)準(zhǔn)Qi的制定和普及為目的設(shè)立的組織。Qi標(biāo)準(zhǔn)以往只有5W以下的BPP（Base Power Profile），之后相繼制定出了15W以下的EPP（Extended Power Profile），因此實(shí)現(xiàn)了與有線充電能力相當(dāng)?shù)臒o線充電功率。有別于WPC的另一個無線組織是AirFuel Alliance，由PMA（Power Matters Alliance）的PMA標(biāo)準(zhǔn)（電磁感應(yīng)方式）和A4WP（Alliance for Wireless Power）的Rezence（磁場諧振方式）整合而成。

值得注意的是，AirFuel聯(lián)盟的磁共振無線充電標(biāo)準(zhǔn)越來越流行，一向推行磁感應(yīng)技術(shù)的WPC也在推出下一代同步支持磁共振和磁感應(yīng)的Qi 1.2版本標(biāo)準(zhǔn)。在WPC Qi 1.2規(guī)范發(fā)布后，WPC聯(lián)盟也開始支持和轉(zhuǎn)向磁共振技術(shù)，主攻智能移動設(shè)備，游戲周邊等等，現(xiàn)在已經(jīng)更新到WPC Qi 1.3。

Qi標(biāo)準(zhǔn)的工作頻率范圍大致在100KHZ~200KHZ，而PMA標(biāo)準(zhǔn)提供高達(dá)5W的電力需要的頻率接近這個數(shù)字的兩倍。PMA和Qi標(biāo)準(zhǔn)其實(shí)很相似，都是基于“磁感應(yīng)”(“MI”)原則。 但它們的無線電源接收器和發(fā)送器之間的通信方法相當(dāng)不同。

Airfuel基于稍微不同的原理，這個原理被稱為 “MR”，是磁共振的意思。 這個標(biāo)準(zhǔn)的早期版本允許傳送的電力為3.5W和6.5W，但最近這個數(shù)值已被提高到50W。雖然MR的基本原理也是感應(yīng)定律，但使用的卻是耦合更為松散但調(diào)諧更緊密的接收和發(fā)射線圈，這些線圈Q值（質(zhì)量因數(shù)）非常高，所以在大約7MHz（業(yè)內(nèi)常用6.78MHZ的諧振頻率）的頻率上能夠發(fā)動諧振轉(zhuǎn)移。