劉志強，高大林，薛正躍，黃吉，高國艷合肥工業(yè)大學(xué)

手機無線充電技術(shù)的研究

劉志強，高大林，薛正躍，黃吉，高國艷
合肥工業(yè)大學(xué)

隨著手機行業(yè)的迅猛發(fā)展，人們對于手機充電技術(shù)的要求也逐漸提高。對傳統(tǒng)的無線技術(shù)進行改進，改造充電器插口，實現(xiàn)快充、閃充，在加快充電速度上力圖滿足市場需求。但是由于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)線的多次抽插會對充電器造成損害，數(shù)據(jù)線長度有限，導(dǎo)致無法實現(xiàn)隨時充電的愿望?；诖?，手機的無線充電技術(shù)再次進入大眾視野。從2012年諾基亞的首臺Lumia系列無線充電手機開始，不到十年的時間，各種無線充電手機令人眼花繚亂。盡管如此，但是目前基于電磁感應(yīng)或者電磁共振方式的無線充電技術(shù)對充電距離仍有嚴(yán)格限制，而且存在傳輸效率低、電磁輻射可能對人體造成損害等問題，因此需要進一步對手機無線充電技術(shù)進行探究，尋找合適的解決辦法。

手機行業(yè)；無線充電；傳輸效率；充電距離

基金來源為合肥工業(yè)大學(xué)2015年國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目資助，項目名稱：無線電源，項目編號201510359027。

1.引言

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，通信手段日新月異。手機作為信息技術(shù)的寵兒更是獲得了迅猛發(fā)展，但是傳統(tǒng)的有線充電技術(shù)因其受到數(shù)據(jù)線的限制、頻繁拔插導(dǎo)致充電器的損害以及更換電池的繁瑣等不足，已逐漸難以滿足人們的消費要求。進而，無線充電技術(shù)逐漸顯露視野。無線充電技術(shù)擺脫了數(shù)據(jù)線的限制，在限定范圍內(nèi)實現(xiàn)快速充電，兼有移動充電器的功能，但也因其電磁輻射大、充電的效率低、發(fā)熱高等缺點阻礙了無線技術(shù)投入使用。近年來，手機制造商紛紛將目標(biāo)投向無線沖電技術(shù)，加大科技投入，試圖在無線充電領(lǐng)域成為贏家。對手機無線充電技術(shù)進行了解和進一步探究，有助于我們加深大眾對這一技術(shù)的理解。

2.無線充電技術(shù)

無線充電技術(shù)，又稱為感應(yīng)充電、非接觸性充電，它來源于無線的電力傳輸，曾經(jīng)因傳遞效率低且電磁輻射過大而宣告失敗。手機的無線充電技術(shù)是在手機中植入接收器，將電源產(chǎn)生的磁場能轉(zhuǎn)化成電能，供手機充電。

2.1 無線充電技術(shù)的歷史

提及無線充電技術(shù)，有一位科學(xué)家功不可沒--尼古拉·特斯拉，在19世紀(jì)末期，尼古拉·特斯拉成功進行了短波無線通訊實驗。到1986年，美國的一位工程師提出在地球外建立太陽能發(fā)電站，以微波的形式將電能傳遞進地球，也就是所謂的“空間太陽能發(fā)電”構(gòu)想。之后十年里，美國航空航天局聯(lián)合能源部提出太陽能計劃，只是因當(dāng)時國情限制，發(fā)展緩慢，稍后，歐盟和日本也開始加入此行列。從小層面上來說，2007年，麻省理工的研究團隊僅利電源和電磁感應(yīng)器成功將兩米開外的一個60W的燈泡點亮，為無線充電技術(shù)的發(fā)展點亮曙光。2012年諾基亞發(fā)布的兩款智能手機-Lumia920和820打響了手機行業(yè)無線充電技術(shù)的戰(zhàn)役。近年來，擁有無線充電技術(shù)的手機越來越多，也出現(xiàn)了很多問題亟待解決。

2.2 無線充技術(shù)的原理

無線充電技術(shù)原理可分為電磁感應(yīng)和感應(yīng)電動勢。通過提供不斷變化的磁通量，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，完成磁能到電能的轉(zhuǎn)化。無線充電技術(shù)主要包括發(fā)射模塊和接收模塊。首先是發(fā)射模塊的電源提供的交流電經(jīng)由整流濾波轉(zhuǎn)化成直流電，再通過高頻逆變將直流電轉(zhuǎn)換成高頻的交流電，之后經(jīng)由磁芯內(nèi)的初級線圈和次級線圈構(gòu)成的分離變壓器，由接收裝置接收磁能，轉(zhuǎn)化成電能供手機使用。除了上述最為常見的電磁感應(yīng)方式外，還可以通過無線電波和電磁共振的方法進行。

3.手機無線充電技術(shù)的研究現(xiàn)狀

2015年，三星主打手機的無線充電功能，Iphone更是希望在手機殼中放入接收裝備，僅通過更換手機殼就能實現(xiàn)無線充電。而在這一過程中，手機的無線充電技術(shù)經(jīng)歷了幾個發(fā)展階段。第一代的無線充電使用了電磁感應(yīng)技術(shù)，其實就是充電板，將手機無須與數(shù)據(jù)線連接，只要放置于充電板上就可以實現(xiàn)無線充電，但是由于手機背部的接受裝置范圍小，必須實現(xiàn)接收裝置與充電區(qū)域的準(zhǔn)確對接才能順利充電，且由于兩級線圈耦合度低，能量傳遞效率不足有線傳遞的70%，因此，這種充電方式需要的時間更長。之后第二代無線充電器從2007年的無線電力傳輸實驗成功獲取靈感，使用電磁共振方式在增加頻率的同時，以藍牙通信取代磁場耦合，實現(xiàn)了充電技術(shù)的穩(wěn)定性和一對多充電的目標(biāo)。這種充電距離在10cm左右。與電磁感應(yīng)式無線充電相比，磁共振式無線充電的傳輸距離更長且對接收裝置與充電板的對合準(zhǔn)確度要求放寬。相應(yīng)地，針對電磁感應(yīng)和電磁共振方式的無線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也先后建立，并在吸取彼此經(jīng)驗的基礎(chǔ)上進行融合、修正。目前最受歡迎的Qi標(biāo)準(zhǔn)就是對電磁感應(yīng)式無線充電技術(shù)的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，這一標(biāo)準(zhǔn)的能量傳輸效率在70%左右，而且無線充電裝置都具有智能化特點，能將手機接收裝置與充電區(qū)域?qū)?zhǔn)，自動識別手機是否已經(jīng)完成充電，相較于傳統(tǒng)的有線充電技術(shù)更加智能、環(huán)保。這兩種方式下已有多種手機面世，但都未能擺脫充電板的束縛，雖然無須進行數(shù)據(jù)線的拔插，但是依然要求手機在充電時放置到充電板上，嚴(yán)格說，這種無線充電技術(shù)依舊難以滿足人們的需求。

4.手機無線充電技術(shù)的發(fā)展方向

盡管通過電磁感應(yīng)和電磁共振方法已經(jīng)生產(chǎn)出了多種可以使用無線充電技術(shù)的手機，但是現(xiàn)實是這種無線充電技術(shù)對距離的限定仍然十分嚴(yán)格，大致在10cm數(shù)量級，而且即便再這個范圍內(nèi)，也有著傳輸效率低的問題。這種情況下，電磁波式的無線充電技術(shù)引起人們的向往。利用無處不在的電磁波實現(xiàn)隨時隨地的遠距離充電，真正實現(xiàn)無線充電。但這一技術(shù)傳遞效率低的缺陷會更加明顯。如何提高無線充電技術(shù)的傳輸效率，將現(xiàn)有的閃充、快充技術(shù)與無線充電技術(shù)融合，如何降低無線充電過程中的電磁輻射，減少對人體的傷害，這都是需要進一思考的問題。

5.結(jié)論

無線充電技術(shù)由來已久，從19世紀(jì)末尼古拉·特斯拉短波無線通訊實驗的成功開始進入人們視野，到2007年的麻省理工團隊使其曙光再現(xiàn)，之后的不到十年的時間里，手機行業(yè)的無線充電技術(shù)儼然成了眾多手機制造商競相爭奪的領(lǐng)域。通過電磁感應(yīng)、電磁共振已經(jīng)生產(chǎn)出多種手機，但是目前仍存在傳遞效率低、傳遞距離短，無法擺脫充電板束縛等缺點，這些缺點是手機無線充電技術(shù)前進路上的絆腳石，需要手機制造商們加大科研力度，改善現(xiàn)有癥狀，實現(xiàn)真正意義上的無線充電。

[1]孟慶奎.手機無線充電技術(shù)的研究[D].北京郵電大學(xué),2012.

[2]Richard Adhikari,李璐.無線充電技術(shù)2013年或邁入技術(shù)成熟期[J].通信世界,2012（34）：23-23.

[3]劉靖.手機無線充電技術(shù)的研究[J].數(shù)字化用戶,2013（36）.