手机无线充电技术原理及应用展望

引言

如今手机等移动设备已经成为人们日常生活中非常重要的工具。手机体积小,电池容量小,能量损耗巨大,如何通过便捷的方式对手机等移动设备进行快捷充电成为目前研究的重点。随着时代发展,无线技术的应用范围愈发广泛,无线充电技术也逐渐成熟。无线充电技术大致分为两种原理,即基于电磁感应技术的无线充电技术和基于磁场耦合共振传输电能的无线充电技术。目前主流的移动设备无线充电系统主要由感应线圈、整流电路、稳压电路等构成,适用于各类公共场所、家庭以及办公室等场所手机等设备的无线充电。

1无线充电的原理及图样

目前市面上主流的无线充电器主要由充电底座(发送端）以及用电器端的接收器组成,充电时将发送端与接收端靠近,无需物理导线连接,借助空气作为介质进行能量传输,即可实现无线充电。

1.1无线充电原理

无线充电的底座(发送端）主要由降压电路、振荡电路、功放电路以及一个电磁感应的发射线圈组成,由功放电路将市电进行转换降到一个合适的数值,然后将交流电进行整流滤波,提高频率后输送到发射线圈,发射线圈中通过交变电流后产生交变磁场,接收端线圈在交变磁场中进行电磁感应产生电流,再由接收端充电电路将感应的交流电转换为直流电进一步传输至用电器(电池）,以此实现无线充电功能,如图1所示。电磁感应原理如图2所示。

1.2原理模型分析

在对无线充电系统进行计算以及理论分析的过程中,因为很少有振荡电路这部分参与,所以可以简化电路模型,将其分为发射线圈和接收线圈两部分。

在实际应用过程中,由于两个线圈直接耦合,所以还需要考虑线圈间的漏感,所以等效电路如图3所示。阻抗用Z1、Z2来表示,互感则用ZL来表示。

两个线圈在空间中直接耦合,通常情况下会出现严重的漏磁现象,所以将两个线圈之间的耦合系数设为长(通常情况下令1>长>0）,则:

式中,L1为初级线圈导线有效长度:L2为次级线圈导线有效长度。

所以,这个无线充电装置的充电效率为:

式中,P为电源总能量:PL为负载所能接收到的能量:7为装置效率。

由上式可知,当这个系统的阻抗Z1、Z2增大时,传输效率

将会降低。

无线充电的工作效率不仅取决于磁感应线圈之间的耦合系数(K）以及线圈的品质因数(0）,还与耦合与次级感应线圈间的距离、初次级感应线圈之间的直径比值相关D1/D2,以及与线圈的角度之间的角度和形状也有关联。

根据Biot-savartLaw定律可得,稳恒电流通过导线时,在导线外P处产生的磁感应强度B为:

式中,μ0为磁导率:r为电阻。

计算出单个载流源线圈所在轴线上的磁场。设原线圈中心点为0,线圈半径为R,其中载有的电流为I,如图4所示。

在已知线圈中任意选取一个电流元为IdL,令电流元到P点的矢径为r,由于r与IdL恒垂直,由Biot-savartLaw定律可知,电流元在P点所产生的电磁感应强度为:

其中,dB在矢径r与轴线所在的平面内,并且与r相垂直。显然,在线圈上各个电流元在P点处的电磁感应方向都是不相同的,所以需要把dB分为平行于轴线方向以及垂直与轴线方向两个分量,平行于轴线方向的用Bl表示,平行与轴线方向的用B||表示。

根据对称原理,垂直分量Bl相互抵消,平行分量B||相互叠加,则:

由上式可知,线圈会在P点产生磁场,与P点到线圈的距离矢径r的三次方成反比,与线圈的半径R成正比。所以,要想提高线圈无线传输能量的效率,就可以增大耦合线圈的半径,或者减小线圈之间的距离[1]。

1.3无线充电图样

目前无线充电技术仍然处于起步阶段,但目前发展十分迅速,全球很多智能设备生产商投入了大量资金进行研究。目前无线充电效率仍远低于有线充电,但无线充电的充电功率已经达到了198。

无线充电技术被应用于可穿戴设备领域。手机充电方面的实物如图5所示,可穿戴设备的无线充电实物如图w所示,只需将设备靠近发射端即可进行充电。

2无线充电技术的发展现状

目前来说,无线充电发展刚进入起步阶段,很多厂商这方面的研发都受到了一些限制,例如充电功率相比有线充功率较低,充电时不能距离充电座太远,当达到一定距离时,有很多能量便会以无线电波的形式消耗掉,而且材料成本相对较高。

尽管如此,近些年手机无线充电技术的发展还是非常迅猛的,尤其是在充电功率方面,已经由刚开始的58增长到目前的近198,不仅是手机,在可穿戴设备、鼠标以及一些小型的用电设备上都使用了无线充电技术,普及程度大幅提升,越来越多的相关产品应运而生,譬如在咖啡馆内设置带无线充电底座的桌子之类的。

3无线充电技术的应用展望

虽然无线充电技术处于发展阶段,还存在一些问题,但相较于有线充电,它的应用优势十分巨大。

3.1同时进行多设备供电

由于一对一插口的限制,使得无线充电只能一次充一个设备,在设备数量增加时,无法对多个设备同时进行充电。然而,如果电路合理,在一张桌面上可以设置多个无线充电底座,只需用一根线便可实现一次对多个用电器充电。

美国推出过一款名为"watt6p"的无线充电器,可以允许在距离信号发射器4wm范围内进行无线充电,可以最多向12台设备提供0258的充电功率,或者向最多4台设备提供48的充电功率,随着距离的减小,充电越快。

3.2降低线材损耗,提高安全性

在使用常规直插式线材充电时,会有弯折现象,对线材损耗非常大,有时可能会磨损线材外面的保护橡胶。而无线充电时只需要连接能量发射端的底座,不需要大幅移动线材,所以可以有效避免线材的弯折,避免由于橡胶磨损带来的漏电危害。

因为无线充电不需要过多弯折线材,可以很好地保护充电端导线,使其不会太过受到磨损,有效避免了因线材磨损内部导线裸露在外的导线短路引发的火灾。

3.3避免线材杂乱无章,影响环境整洁度

在给各个用电器充电时,由于每一个用电设备都要使用一根充电线,当用电器比较多时,线材数量也会上升,导致这些电线相互缠绕,难以整理。而无线充电可以避免这一问题,只需要把充电底座的连接线整理顺畅后,便不需要过多整理,使周围环境更加整洁。

4需改进的问题

随着无线技术的高速发展,可以使移动设备的无线充电更加轻便化、多元化,还可以同物联网进行连接。

4.1充电模式单一

因为无线充电的核心是电磁感应,所以未来在这方面的发展可以使用不仅是主次级线圈相互感应来充电,还可以借助其他可以发出电磁波信号的设备为移动设备进行无线充电,例如室内的光波、wi-Fi信号等。

因为无线充电主要还是利用变化的电磁波来进行无线充电,再加上电磁波有很多形式,所以将其他形式的电磁波引入无线充电范围中还是极有可能的。把电能转化为光能,譬如激光,将激光的能量传递到目的地,再将其转化为电能,而且光电转换技术目前应用很广泛,但是这样的能量传递技术有一定的缺陷,就是在传递路径中不能有障碍物,这种技术在目前来说还有很大的应用缺陷。

4.2充电距离短

目前无线充电技术基本充电底座和接收设备距离超过2cm,充电效率就会出现一个快速降低的突变,在以后的技术发展过程中,试图慢慢增加充电距离,可以不用将设备局限于无线充电底座上,渐渐做到无电池化。

目前在汽车领域已有相关应用:2011年丰田曾宣布已经开发出了基于电磁共振原理的无线充电方式,可对汽车进行无线充电,这项技术利用微型、高效的接收电路,收集从障碍物反射回来的无线电波,将其转化为稳定的直流电压,可以实现10m的传输。

但是电磁共振的技术要求比较苛刻,用于商用还需要进行更深层次的更新和改良。

4.3充电效率低

由于无线充电技术发展时间较短,在充电过程中,功率相对与有线充电非常低。手机充电方面主要还是存在漏感严重以及功率过大所产生的辐射问题。但是目前无线充电器的功率处于逐渐提升的过程,这也是一个减少漏感,并降低辐射影响的过程。

4.4价格成本比较高

因为无线充电技术刚刚兴起,所以很多方面的成本都比较高昂,在今后的发展过程中,随着工业技术水平的提升,可以逐渐降低制造成本,使无线充电技术更加普及、便捷。

4.5会增加智能产品厚度

无线充电中的能量接收线圈会增加智能设备厚度。诺基亚目前正在设计一种新机型,旨在将无线充电的接收线圈与NFC技术相结合,尽可能降低智能设备的厚度,增加智能设备的集成度,更高效地利用空间。

以苹果手机为例,生产商为了让手机可以无线充电,对其进行了一定程度的改造,安装一种类似"苹果皮"的接收器,将无线充电接收器以手机保护壳的形式出现,也可以对设备进行很大程度的"瘦身"。

5结语

无线充电技术刚刚兴起,有十分广阔的发展空间,在其发展初期便显示出多种优势,相信在未来这项技术可以普及到家家户户,让人们免受各种充电线杂乱的困扰,避免一些安全隐患。随着科技的发展,无线充电技术不仅可以用在手机、汽车等领域,还可以用于PC、数码相机等更多电子领域,促进整个社会飞速发展。