陳云華 李鵬忠 盧潤達(dá)

（威凱檢測技術(shù)有限公司 廣州 510663）

1 無線充電技術(shù)概況

無線充電技術(shù)是指無線充電器通過非物理接觸的方式將電能傳輸給可充電設(shè)備的電能傳輸技術(shù)。該技術(shù)具有無布線、可靠性高、維修方便等優(yōu)勢，當(dāng)前已越來越受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的重視。根據(jù)最近的研究報(bào)告表明，預(yù)計(jì)到2022年，無線充電技術(shù)的市場規(guī)模將達(dá)到112.7億美元[1]。如圖1所示，該技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用于生活和工業(yè)當(dāng)中，如應(yīng)用在RFID射頻識(shí)別技術(shù)、移動(dòng)電話無線充電裝置、無線充電樁車載系統(tǒng)等。

圖1 無線充電技術(shù)的應(yīng)用

2 無線充電技術(shù)原理

目前，無線充電的方式主要有電磁式、磁共振式、無線電波接收式等。電磁感應(yīng)是移動(dòng)終端無線充電設(shè)備常見的產(chǎn)生電能方式。它的發(fā)電原理是基于電磁感應(yīng)現(xiàn)象。當(dāng)電流通過線圈時(shí)，發(fā)射線圈和接收線圈構(gòu)成電磁禍合電感器。由于發(fā)射端交流電的不斷振蕩，從而產(chǎn)生磁場形成電壓，最終產(chǎn)生電流，以供移動(dòng)設(shè)備充電使用。

電動(dòng)勢與磁通量換算公式為：

式中e為閉合線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢，為時(shí)間變化中的磁通量，N是閉合線圈的匝數(shù)。

閉合線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電場：

上式中C為線圈，E為電場強(qiáng)度。

根據(jù)上述分析，通過電磁感應(yīng)接口電路出來的直流電，可以直接接入移動(dòng)終端充電電路的電流輸入端，經(jīng)過濾波穩(wěn)壓處理，生成穩(wěn)定的直流電，其通過充電控制器對移動(dòng)終端鋰電池充電[2]。圖2為移動(dòng)終端充電的系統(tǒng)總框圖。

圖2 移動(dòng)終端充電的系統(tǒng)總框圖

3 異物對移動(dòng)終端無線充電裝置的影響

3.1 異物的簡介

在移動(dòng)終端進(jìn)行無線充電的過程中，可能會(huì)有各種異物（如紙屑、各金屬等）混入無線傳輸充電區(qū)域。其中金屬異物的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率較高，混入無線傳輸充電區(qū)域中，發(fā)生渦流效應(yīng)，金屬表面溫度上升，導(dǎo)致周圍易燃物點(diǎn)燃而引起火災(zāi)，必然造成危害最大，從而影響移動(dòng)終端無線充電裝置的充電效率和安全性。

在高頻電磁場作用下，金屬異物混入移動(dòng)終端無線充電能量傳輸區(qū)域時(shí)會(huì)產(chǎn)生一系列電磁現(xiàn)象。根據(jù)金屬特性分析，金屬導(dǎo)電性能與電磁性能可以參考以下三個(gè)特性，磁導(dǎo)率μ、電導(dǎo)率γ和反介電常數(shù)ε。其中金屬的電導(dǎo)率γ體現(xiàn)其導(dǎo)電性，磁導(dǎo)率μ反應(yīng)其導(dǎo)磁性，介電常數(shù)ε反應(yīng)其極化性。根據(jù)物理學(xué)公式，磁導(dǎo)率μ和介電常數(shù)ε有式（3）關(guān)系，式中c為真空中的光速[3]：

根據(jù)金屬的磁導(dǎo)率μ特性不同，可把金屬材料視為以下兩類。第一類是當(dāng)金屬磁導(dǎo)率μ接近1，電導(dǎo)率γ相對較大時(shí)，為非鐵磁性金屬，此時(shí)該金屬異物在移動(dòng)終端無線充電能量傳輸區(qū)域主要發(fā)生渦流效應(yīng)，磁效應(yīng)可忽略不計(jì)；第二類是當(dāng)金屬的磁導(dǎo)率μ和電導(dǎo)率γ都很大，為鐵磁性金屬，此時(shí)該金屬異物在移動(dòng)終端無線充電能量傳輸區(qū)域不僅發(fā)生渦流效應(yīng)又產(chǎn)生磁效應(yīng)。

在室溫下，鐵磁性金屬主要有鐵，鈷，鎳和釓等有四種元素構(gòu)成的金屬材料具有良好導(dǎo)磁性。在沒有外加磁場的情況下，鐵磁性金屬中內(nèi)部各分子電流所產(chǎn)生的磁矩，可視為零磁矩，此時(shí)是非磁性的。但是，當(dāng)置于磁場中時(shí)，鐵磁性金屬的內(nèi)部分子會(huì)被外部磁場進(jìn)行磁化，此時(shí)是磁性的。特別是對于一些鐵磁性材料，即使磁化后去除外部磁場，材料內(nèi)部仍然有大量的剩磁。非鐵磁性金屬一般為有色金屬且不能被磁化，如銅、鋁、鎂、鋅等元素構(gòu)成的金屬材料。

3.2 置于移動(dòng)終端無線充電裝置的金屬異物溫升

在生活中，電磁加熱金屬的應(yīng)用范圍較大，交變流電通過導(dǎo)體線圈會(huì)產(chǎn)生方向變化的交變磁場，這種現(xiàn)象被稱為電磁感應(yīng)。此時(shí)導(dǎo)體處于交變磁場，內(nèi)部載流子在交變磁場作用下進(jìn)行有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生渦流，渦流的效果使得金屬的溫度迅速上升，實(shí)現(xiàn)了加熱功能，這就是渦流效應(yīng)[4]。渦流效應(yīng)在現(xiàn)實(shí)生活中得到了廣泛的應(yīng)用，比如，電磁爐的加熱方式就是因?yàn)榫€圈在控制電路的作用下產(chǎn)生中頻的交變磁場，通過磁導(dǎo)(鐵)鍋產(chǎn)生大量的強(qiáng)渦流，從而獲得巨大的熱量，然后用來加熱食物。

金屬的渦流效應(yīng)在生活中帶給人們不少便利，如電磁爐，金屬探測儀等等，但在另一方面，金屬的渦流效應(yīng)在某些在環(huán)境中會(huì)給生活帶來一定危害。將一片金屬片置于無線充電裝置傳輸區(qū)中，金屬片表面溫度急劇上升，對安全充電、效率造成影響。在實(shí)驗(yàn)中，觀測放置在移動(dòng)終端無線充電裝置傳輸區(qū)域的鐵片表面溫升情況，使用MX100溫升圖表記錄儀表面記錄記錄金屬表面的溫度變化情況。本實(shí)驗(yàn)所用平臺(tái)為應(yīng)用于網(wǎng)易移動(dòng)終端無線充電設(shè)備。將邊長20 mm、厚度1 mm方形鐵片放置在無線電能發(fā)射線圈表面，記錄不同時(shí)刻金屬表面溫度，繪制溫度變化曲線如圖3所示。

由圖3得出，放置在輸入功率為5 W的移動(dòng)終端無線充電裝置傳輸區(qū)域中，金屬片表面溫度在半小時(shí)內(nèi)急劇上升至80.2℃。從而得知，若在輸入功率幾百瓦，甚至幾千瓦無線充電設(shè)備中放置一塊金屬片，其金屬表面溫度上升將會(huì)更加迅速及劇烈。此時(shí)試想一下金屬板附近如有易燃物質(zhì)材料（紙屑、樹枝落葉等），則極易引起火災(zāi)事故，對人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成極大的安全隱患。

圖3 金屬片表面溫度

4 異物檢測實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中采用不同直徑、材質(zhì)和厚度的異物伴隨電子負(fù)載進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別進(jìn)行充電過程中的異物溫度及無線充電裝置參數(shù)檢測實(shí)驗(yàn)。分別將邊長20 mm、厚度0.5 mm方形鐵片，邊長20 mm、厚度1.5 mm方形鐵片，邊長20 mm、厚度1 mm方形鐵片，邊長30 mm、厚度1 mm方形鐵片，邊長10 mm、厚度1 mm方形鐵片，邊長20 mm、厚度1 mm方形銅片、邊長20 mm、厚度1 mm方形鋁片和邊長20 mm、厚度1 mm方形白紙與負(fù)載放置在移動(dòng)終端無線充電裝置傳輸區(qū)域表面，記錄不同時(shí)刻金屬表面溫度，詳細(xì)參數(shù)數(shù)值見表1和繪制溫度變化曲線如圖4～圖12所示。

由圖4～圖12和表1中記錄溫升曲線和參數(shù)可以看出，金屬鋁片、銅片和紙片放置在移動(dòng)終端無線充電裝置能量傳輸區(qū)的溫升相對較低，根據(jù)GB 4943.1-2011標(biāo)準(zhǔn)條款4.5要求[5]，會(huì)被接觸到的金屬表面溫度不高于70 ℃的對使用人員的危害較小。金屬銅片、鋁片和鐵片的溫度差異主要是由于金屬之間特性有差異，因?yàn)殍F片是鐵磁性金屬，其磁導(dǎo)率μ和電導(dǎo)率γ都相對銅片和鋁片較高，從而其在線圈磁場中能量轉(zhuǎn)化率較高，導(dǎo)致在短時(shí)間內(nèi)積累了大量的熱量，使金屬表面溫度迅速上升，并且鐵片的面積和厚度越大，其金屬表面溫度則越高。對于銅片和鋁片，為非鐵磁性金屬，其熱效率低，金屬表面溫度造成的危害相對較??；另外由于金屬的渦流效應(yīng)，部分電能消耗在金屬上，導(dǎo)致無線電能傳輸功率和效率受到一定影響。這也證明異物對無線充電裝置存在一定安全隱患。

圖4 溫度變化曲線（正常工作）

圖5 溫度變化曲線（邊長20 mm、厚度0.5 mm方形鐵片）

圖6 溫度變化曲線（邊長20 mm、厚度1.5 mm方形鐵片）

圖7 溫度變化曲線（邊長20 mm、厚度1 mm方形鐵片）

圖8 溫度變化曲線（邊長30 mm、厚度1 mm方形鐵片）

圖9 溫度變化曲線（邊長10 mm、厚度1 mm方形鐵片）

圖10 溫度變化曲線（邊長20 mm、厚度1 mm方形銅片）

圖11 溫度變化曲線（邊長20 mm、厚度1 mm方形鋁片）

圖12 溫度變化曲線（邊長20 mm、厚度1 mm方形白紙）

表1 無線充電裝置及異物參數(shù)

5 總結(jié)與展望

無線充電技術(shù)是目前電子設(shè)備的創(chuàng)新發(fā)展方向，盡管現(xiàn)在技術(shù)尚未成熟，且距離問題是無線充電技術(shù)不得不面對一大難題，但這項(xiàng)技術(shù)對我們的生活也有很大的改變。本文講述了移動(dòng)終端無線充電裝置在充電時(shí)，當(dāng)混入各種異物時(shí)，對移動(dòng)終端無線充電裝置的安全使用和性能是否受到一定的影響，大部分外來因素都會(huì)對無線充電產(chǎn)生一定程度的影響，如充電效率、溫度過高等。其中，金屬材料的異物尤為嚴(yán)重。由于金屬的渦流效應(yīng)，它的表面溫度會(huì)急劇上升，所以當(dāng)遇到環(huán)境周圍存放較多易燃材料時(shí)，從而引起火災(zāi)，給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來很大的安全隱患。

雖然本文就金屬等異物對無線充電裝置在充電時(shí)現(xiàn)象進(jìn)行檢測及分析，但充電實(shí)驗(yàn)過程中，可能由于材料的材質(zhì)密度、質(zhì)量等因素影響，對本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性造成影響，本文對僅對常規(guī)的移動(dòng)終端無線充電裝置進(jìn)行評測，未考慮生活中各種復(fù)雜情況的發(fā)生，后續(xù)仍需研究與完善。