無線充電器

無線充電器是指不用傳統的充電電源線連接到需要充電的終端設備上的充電器，採用了最新的無線充電技術，通過使用線圈之間產生的交變磁場，傳輸電能，電感耦合技術將會成為連接充電基站和設備的橋樑。

無線充電技術在 2007 年獲得了 20 項專利，多種設備可以使用一台充電基站，手機、MP3播放器、電動工具和其他的電源適配器的有線充電情況將不會存在了。

未來的電池充電將會有三種主要形式：可視充電、智能充電和無線充電。2016年國際無線充電聯盟（WPC）的成員只有138家，但在今年WPC的技術企業已超過200家，如蘋果、三星、HTC、華為、聯想、小米、諾基亞、索尼等多家主流手機廠商。一般來說，一個Qi無線充電器有一個平面，被稱為充電板，移動設備可以放在上面充電。Qi指定三種不同的方法用於線圈校準，即：引導定位（磁引力）（如圖1（a）所示）、自由定位（動圈）（如圖1（b）所示）和自由定位（線圈陣列）（如圖1（c）所示），下面對這三種方法進行簡單闡述。

第一，引導定位（磁引力）：即一個一對一的固定位置充電為放置的充電設備和達到精確校準作引導，這種校準方法的優勢簡單，但它在充電設備中需要一系列被磁鐵吸引的材料，因此，渦流相關的功率損耗（從而溫度升高）將被引誘磁吸引子。第二，自由定位（具有可移動的初級線圈）：也是一對一能定位充電的設備充電，這種方法需要一個機械地可動的初級線圈，調諧其與充電設備的位置相耦合，然而，可動機械部件往往使系統可靠性降低，此外，對充電的多個設備，對初級線圈的馬達控制是複雜且昂貴的。第三，自由定位（線圈陣列）：允許多個設備充電的同時不考慮他們的位置，與上面兩種方法相比，這種校準方法是以更昂貴、更複雜的繞組結構和控制電子元素為代價，提供了更多的用戶友好性。

英國一家公司發明了一種新型無線充電器，它看上去就像一塊塑料滑鼠墊，將手機等放在墊上就能充電，並能同時給多個設備充電。

據22日出版的英國《新科學家》雜誌報道，這個“滑鼠墊”里裝有密集的小型線圈陣列，可產生磁場，將能量傳輸給裝有專用接收線圈的電子設備，進行充電。接收線圈由磁性合金繞以電線製成，大小和形狀都與口香糖相似，可以很方便地貼在電子設備上。

早在19世紀30年代，邁克爾·法拉第就發現，周圍磁場的變化將在電線中產生電流。19世紀90年代，塞爾維亞裔科學家尼古拉·特斯拉就申請了最初的一個專利。

但遺憾的是，這方面的研究延遲了一個世紀。最大的障礙是傳輸效率太低又存在危險。電磁輻射只適合傳送信息，並不適合傳送能量。因為輻射無定向性可言，能量將會浪費在無用的空間中。有人設想使用定向電磁輻射，比如激光，但其可操作性不強且極具危險性。

香港城市大學電子工程學系許樹源教授在早幾年曾成功研製出“無線電池充電平台”，可將數個電子產品放在一個充電平台上，不需外接電線，透過低頻電磁場自動充電，充電時間與傳統充電器無異。但這一技術仍需要產品與充電器接觸，它主要利用的是近場電磁耦合原理。

美國麻省理工學院的研究人員在無線傳輸電力方面取得了新進展，他們用兩米外的一個電源，“隔地”點亮了一盞60瓦的燈泡

索利亞契奇的設計，非輻射無線能量傳輸有距離的限制，接收器越小則這個距離越短。他計算出筆記本電腦大小的物體可以在幾米的範圍內接受無線能量傳輸，“這樣在每個房間安裝一個發射源，就可以給整個住宅的筆記本電腦供電了。”

索利亞契奇希望通過使用不同材料和改進技術，把效率提高到70%至80%。他們相信，改進后的設備將在3到5年內為筆記本電腦、行動電話以及其他設備進行無線充電。

物理學家早就知道，在兩個共振頻率相同的物體之間能有效地傳輸能量，而不同頻率物體之間的相互作用較弱。歌唱家演唱能將裝有不同水量瓶子中的一個震碎，而不影響其他瓶子就是這個道理。這也好比我們盪鞦韆時，只需坐在上面讓下垂的雙腿同步擺動就能給鞦韆帶來動力一樣。無線充電技術正是利用了這個原理。同樣，無線充電技術也應用了電磁波感應原理，及相關的交流感應技術，在發送和接收端用相應的線圈來發送和接收產生感應的交流信號來進行充電的的一項技術，用戶只需要將充電設備放在一個“平板”上即可進行充電，這樣的充電方式過去曾經出現在手錶和剃鬚刀上，但是當時無法針對大容量鋰離子電池進行有效充電。無線充電器技術原理構圖如圖所示

最初由英國一家公司發明了一種新型無線充電器，它看上去就像一塊塑料滑鼠墊，這個“滑鼠墊”里裝有密集的小型線圈陣列，因此可產生磁場，將能量傳輸給裝有專用接收線圈的電子設備，從而進行充電。接收線圈由磁性合金繞以電線製成，大小和形狀都與口香糖相似，所以可以很方便地貼在電子設備上。將手機等放在墊上就能充電，並能同時給多個設備充電。充電技術此前已經出現，但這項新發明更為方便實用。手機等設備只要貼上接收線圈，放置在“滑鼠墊”上的任一位置都可充電，不像以前的一些技術那樣需要精確定位。幾個設備同時放在墊子上，可以同時進行充電。充電器產生的磁場很弱，能夠給設備充電但不會影響附近的信用卡、錄像帶等利用磁性記錄數據的物品。

無線充電系統主要採用電磁感應原理，通過線圈進行能量耦合實現能量的傳遞。如圖所示，系統工作時輸入端將交流市電經全橋整流電路變換成直流電，或用24V直流電端直接為系統供電。

經過電源管理模塊后輸出的直流電通過2M有源晶振逆變轉換成高頻交流電供給初級繞組。通過2個電感線圈耦合能量，次級線圈輸出的電流經接受轉換電路變化成直流電為電池充電。

變化的磁場會產生變化的電場，變化的電場會產生變化的磁場，其大小均與它們的變化率有關係，而正弦函數的變化率是另外一個正弦函數，所以電磁波能夠傳播出去，而感應電壓的產生與磁通量的變化相關，所以線圈內部變化的磁場產生感應電壓，從而完成充電過程。

手機無線充是比較新穎的充電方式，其原理其實很簡單，就是將普通的變壓器主次級分開來達到無線的目的。當然，無線充的工作頻率比較高，甚至可以拋棄鐵心直接線圈之間就可以達到能量傳遞的作用。

1.從理論來說，無線充電技術對人體安全無害處，無線充電使用的共振原理是磁場共振，只在以同一頻率共振的線圈之間傳輸，而其他裝置無法接受波段，另外，無線充電技術使用的磁場本身就是對人體無害的。但無線充電技術畢竟是新型的充電技術，以邁源科技的無線充電器來說，很多人都會擔憂無線充電技術會像當初Wi-Fi和手機天線桿剛出現一樣，其實技術本身是無害的。

2.無線充電技術利用磁共振在充電器與設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備之間形成共振。

3.這一系統可以在未來得到廣泛應用，例如針對電動汽車的充電區以及針對電腦晶元的電量傳輸。採用這項技術研製的充電系統所需要的充電時間只有當前的一百五十分之一。

4.轉化率一直是很多人擔心的問題，麻省理工學院通過研究表明，無線充電技術的損耗比起有線充電技術來說更低。無線充電轉化率比起有線要高几個百分點。高轉化，也是無線充電器得以在全球進行應用的關鍵因素。但無線充電技術也受到距離的限制，未來發展，必然需要解決遠距離傳送對於波段和磁場範圍的精準定位問題。

5.核心晶元是無線充電技術在產品應用的難點之一。精準輻射範圍控制，磁場頻率大小，其它控制等都是由晶元實現。

無線充電打破了電能傳輸只能依靠導線直接接觸式傳輸的方式，屬於非接觸式傳輸，能夠避免接觸式電能傳輸可能帶來的接觸火花、滑動磨損、爆炸電擊等問題。無線電能傳輸方式主要分三種：電磁感應式、電磁諧振式和電磁輻射式。電磁感應式是目前最常用的無線電能傳輸方式，其技術已經量產，在生產成本上低於其他技術，並且通過安全與商場驗證。目前，有三大主流聯盟致力於無線充電技術的開發及標準制定，這三大聯盟是Alliance for Wireless Power（A4WP），Power Matters Alliance（PAM）及Wireless Power Consortium（WPC）。Qi標準為WPC推出的“無線充電”標準，採用了目前最主流的電磁感應式充電技術。Qi標準主要針對攜帶型電子產品如照相機、視頻和音樂播放器、玩具、個人護理及手機等。目前，小功率無線充電器的研究設計主要針對手機端無線充電，採用的都是基於TI公司的BQ500211專用晶元，在一些小功率終端也都採用的是專用集成晶元，使用專用集成晶元在初期開發上能節省開發時間，但從長遠上考慮不利於成本的降低及後期的擴展升級。

無線充電技術雖然得到了一定的發展，但在發展過程中仍舊存在一些棘手的技術問題。第一，充電效能不高。一旦距離稍微遠了一點充電的效率就會急劇降低，需要浪費大量的時間和資源才能完成充電，故而使用意義不大。第二，充電過程中的安全問題。大功率的無線充電設備會產生大量的電磁輻射，對身體健康造成一定的不良影響，同時也會對飛機、通信等產生干擾影響。第三，實用性方面。目前的無線充電技術還是只能需要固定在某個定點的位置才能實現，這並不方便故而實用性不高。第四，價格昂貴，由於無線充電技術目前還只是處於初步研發應用階段，研究的成本較高，所以其研發的產品價格也相對高昂。

電磁感應

這是最常見的無線充電器的工作方式，它利用電磁感應的原理，通過初級和次級線圈之間的電磁感應來產生電流，從而實現能量在空間範圍內的傳遞；這種無線充電器的實現方式得到了無線充電聯盟的推廣。

無線電波

無線電波是現階段無線充電器發展比較成熟的一種無線充電方式，它的工作原理是利用微型高效接收的電路來捕捉空間中的無線電波，然後將電磁能轉化為穩定的電能。目前已經有公司宣稱可以實現對幾米以外小於蜂窩電話的電子設備進行無線充電。

這是一種還處於研發階段的無線充電技術，此項技術主要由美國麻省理工學院物理教授所帶領的團隊進行研究，英特爾公司的工程師以該項技術作為基礎，實現了在距離電源約1米左右的地方點亮了一個60瓦的燈泡，而且具有75%的傳輸效率。英特爾的工程師表示下一個目標將是利用這種無線充電技術，對經過改裝的筆記本電腦進行充電。不過要想實現這一目標，還需要解決好電磁場對電腦中其它元件的干擾和影響。

為了使不同品牌的產品能夠共用同一個充電器，提高無線充電器的通用性，全球首個推動無線充電技術的標準化組織——無線充電聯盟（Wireless Power Consortium，以下簡稱“聯盟”）推出的“無線充電”標準，無線充電聯盟（WPC）標準下，無線傳輸的功耗僅為 0~5W。達到這一標準範圍的系統在 2 個平麵線圈之間使用電感耦合將電力從電力發送器傳輸給電力接收器。原副線圈之間的距離一般為 5mm，輸出電壓調節由一個全局數字控制環路負責，這時電力接收器會與電力發送器通信，併產生功耗。該通信是一種通過反向散射調製從電力接收器到電力發送器的單向通信。在反向散射調製中，電力接收器調整負載，從而改變電力發送器的電流消耗。對這些電流變化進行監控，並解調成2 個設備協同工作所需的信息。通信協議包括模擬、數字聲脈衝（ping）、身份識別、配置和電力傳輸。

電力接收器放置在電力發送器上時出現的典型啟動順序如下：

（1）來自電力發送器的模擬 ping 檢測到對象的存在。

（2）來自電力發送器的數字 ping 為模擬 ping 的加長版，並讓電力接收器有時間回復一個信號強度包。若該信號強度包有效，則電力發送器會讓線圈保持通電並進行下一步驟。圖3 無線充電器

（3）身份識別和配置階段，電力接收器會發送一些數據包，對其進行身份識別，並向電力發送器提供配置和設置信息。

（4）在電力傳輸階段，電力接收器向電力發送器發送控制誤差包，以增加或減少電力。正常運行期間，每隔約250ms 發送控制誤差包，而在大信號變化期間每隔 32ms發送一次。另外，在正常運行期間，電力發送器每隔 5s 發送一次電力包。

（5）為了終止電力傳輸，電力接收器發送一條“終止充電”消息或者 1.25s 內不進行通信，使電力發送器進入低功耗狀態。在 Qi 標準下，手機、相機、電腦等產品都可以用 Qi 無線充電器充電，大規模的無線充電將成為可能。

現有的文獻解決了四種不同場景下的無線充電器部署策略問題：

（1）點配置處理靜態充電器的部署來支持靜態設備具有無線能量，如Chiu 等最小化充電器數目，通過理論分析與數值模擬方法利用兩種集中式貪婪演演算法解決了網路充電覆蓋的需求；

（2）路徑配置的目標是在移動設備的旅行路徑中部署靜態充電器對移動設備進行充電（如用於人類可穿戴或可植入的感測器），如Liao 等最大化生存速率，通過理論分析與系統級模擬利用一種集中啟髮式貪婪演演算法解決了充電器數目的限制；

（3）多跳配置決定在靜態網路中放置靜態充電器的位置，其中設備也能有無線能量傳輸功能並能彼此分享能量，如Rault 等最小化充電器的數目，通過數值模擬方法利用基於混合ILP的集中式方案解決了網路覆蓋需求和為能量傳輸路數的最大化限制；

（4）地標配置涉及兩個步驟：為移動充電器選擇地標輪流訪問和聚類地標作為群體來部署移動充電器。地標的位置是停放的充電器在鄰近為多個靜態設備提供併發的充電，如Erol-Kantarci 等最小化了地標配置和最大化了傳輸到優先順序高的節點的能量，均通過數值模擬方法利用基於ILP的集中式方案分別解決了全部能量補充的需要與充電器的容量受限的問題，以及最大化地標的數目，傳輸範圍受限和優先順序高的節點的功率需求和充電器的容量受限的問題。

市場應用發展瓶頸

1.核心無線充電技術不完善；

2.輻射區域難以實現遠距離傳輸；

3.長距離定位對硬體的要求太高；

4.磁場共振高度匹配可控制小；

5.應用範圍局限，沒有得到延伸；

6.市場因素與消費者心理導致開發商不願意大力進行技術研發。

麻省理工學院的研究人員表示，身體對電場的反應很強，但身體對磁場的反應則幾乎沒有，因此這一系統不會影響人體健康。不過，這還只是一種推測，有研究人員對此觀點表示擔心，在真正應用於生活前，還需要進一步進行試驗。

做為電子類充電產品，充電器本身避免不了輻射，所以無線充電器有輻射是必然的。但無線充電器的功率很小，充電時間較長，所產生的輻射也小。

為避免不必要的浪費和產生更多的電子垃圾，中國正在執行手機充電器埠統一標準化。但對於無線充電技術來說，這一點將會得到最大程度的普及：不但手機可以使用，數碼相機、iPad、筆記本也都可以一同分享這種充電設備。日本富士通甚至準備推出一個更為高級的技術，將這種成功從攜帶型電子產品擴大到電動汽車充電中。富士通公司此舉最終目的是在街頭設置公用“充電點”，可以為便攜數碼設備以及電動汽車用戶實現更方便地24小時全天候充電服務。除此之外無線充電器更聰明可節省耗能。雖然無線充電設備的效能接收在70%左右，和有線充電設備相等，但是它具備電滿自動關閉功能，避免了不必要的能耗。而且這個效能接收率在不斷提高。

手機將內置充電接收器，並統一無線充電標準

要實現手機等產品的無線充電，必須有兩個部分：發射器，與電源連接，負責向廣闊空間發射電能；接收器，一般安裝在電子產品上，用以接受電能。無線充電技術已經開始在手機產品中運用了，以iPhone手機為例，無線充電生產商為使其可具備無線充電功能，則對其進行了改裝，安裝了一種類似“蘋果皮”的“衣服”。作為無線充電接收器，它是以增加手機充電外殼的形式出現，但相關改造產品中國或將可以推出。這個外殼被稱為“Qi門”，它支持iPhone與黑莓手機，用戶不需更換手機可搶先體驗這一功能。在2013年初，無線充電接收器會充分“瘦身”，成為手機產品中內置的無線充電接收晶元，只有指甲蓋那麼大。諾基亞、飛利浦、LG、三星、索尼愛立信、iPhone、HTC、谷歌、中興、Sharp以及RIM等眾多國際知名手機廠商都很支持這一技術，無線充電器也有可能會與手機一起捆綁進行銷售。

手機無線充電關鍵在於兼容性，Qi標準可確保品牌兼容

無線充電技術主要利用電磁技術，在發射器將電流轉化為電磁，手機通過內置晶元接收器將電磁轉化為電流為手機充電。無線充電技術推廣的關鍵在於確保各廠家無線充電器能夠兼容，Qi標準的制定使無線充電有了統一的技術規範，確保同一充電器對多品牌和多產品的兼容性。無線充電聯盟主席Menno Treffers對外表示，Qi無線充電標準採用的是電磁感應技術，相比於其他技術，效率和安全性都更高。Qi無線充電標準包括介面、性能以及法規三方面，這將對無線充電技術的普及是相當大的挑戰，所以通過Qi標準的手機將可通過任何通過Qi認證的充電基站、底座或是其它可充電裝置進行無線充電。Qi對於裝置的第一項先期要求就是不得高於5瓦特，這對於一些希望筆記本電腦也能同樣通過無線充電技術的廠商可能是一大限制。

已有廠商推出Qi標準無線充電產品，市場廣泛

全球最大的電池和攜帶型照明設備商Energizer（勁量）表示將會很快推出支持Qi標準的無線充電器產品，並首先為蘋果iPhone3GS和黑莓Blackberry Curve 8900用戶帶來無線充電的全新體驗。同時市場調研公司iSuppli提供的數據顯示，無線充電設備市場在2013年將達到140億美元的規模。飛利浦已經開始生產含有無線充電設置新型手機了。飛利浦X723手機已經現身，其采是3.2英寸240X400屏幕，帶GPS和300萬像素攝像頭。

儘管本文重點介紹充電器，順便也概略介紹下接收天線。因為這類無線充電裝置本質是一個變壓器，初級裝在充電器中，次級裝在終端中。

因為與充電器不配套的接收天線會引起充電電路中電流的波動，如何選擇好充電天線呢？

第一：終端天線需帶磁屏蔽。

充電天線若只是一個空心線圈，則附近金屬器物靠近時，會導致渦流，使得充電效率下降，充電器能量輻射不出去，電流增大，充電器發熱。

第二：充電器選用的磁性介質分為有機磁性材料和無機磁性材料兩大類。

有機磁性的材料可以做成很薄且有翹性，適合手機后蓋殼貼合，用於手機中；無機的磁性材料是燒結的鐵氧體製成，易碎，適合大的空間安裝。