手機(jī)無線充電技術(shù)的研究

劉志強(qiáng)，高大林，薛正躍，黃吉，高國艷合肥工業(yè)大學(xué)

手機(jī)無線充電技術(shù)的研究

劉志強(qiáng)，高大林，薛正躍，黃吉，高國艷
合肥工業(yè)大學(xué)

隨著手機(jī)行業(yè)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)于手機(jī)充電技術(shù)的要求也逐漸提高。對(duì)傳統(tǒng)的無線技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，改造充電器插口，實(shí)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(huì)對(duì)充電器造成損害，數(shù)據(jù)線長度有限，導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)隨時(shí)充電的愿望。基于此，手機(jī)的無線充電技術(shù)再次進(jìn)入大眾視野。從2012年諾基亞的首臺(tái)Lumia系列無線充電手機(jī)開始，不到十年的時(shí)間，各種無線充電手機(jī)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(duì)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(duì)人體造成損害等問題，因此需要進(jìn)一步對(duì)手機(jī)無線充電技術(shù)進(jìn)行探究，尋找合適的解決辦法。

手機(jī)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(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助，項(xiàng)目名稱：無線電源，項(xiàng)目編號(hào)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(jī)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(fèi)要求。進(jìn)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(shí)現(xiàn)快速充電，兼有移動(dòng)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(diǎn)阻礙了無線技術(shù)投入使用。近年來，手機(jī)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(duì)手機(jī)無線充電技術(shù)進(jìn)行了解和進(jìn)一步探究，有助于我們加深大眾對(duì)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(jī)的無線充電技術(shù)是在手機(jī)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(jī)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(jìn)行了短波無線通訊實(shí)驗(yàn)。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(jìn)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(jì)劃，只是因當(dāng)時(shí)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(tuán)隊(duì)僅利電源和電磁感應(yīng)器成功將兩米開外的一個(gè)60W的燈泡點(diǎn)亮，為無線充電技術(shù)的發(fā)展點(diǎn)亮曙光。2012年諾基亞發(fā)布的兩款智能手機(jī)-Lumia920和820打響了手機(jī)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(jī)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(dòng)勢。通過提供不斷變化的磁通量，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)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(jí)線圈和次級(jí)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(jī)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(jìn)行。

3.手機(jī)無線充電技術(shù)的研究現(xiàn)狀

2015年，三星主打手機(jī)的無線充電功能，Iphone更是希望在手機(jī)殼中放入接收裝備，僅通過更換手機(jī)殼就能實(shí)現(xiàn)無線充電。而在這一過程中，手機(jī)的無線充電技術(shù)經(jīng)歷了幾個(gè)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(shí)就是充電板，將手機(jī)無須與數(shù)據(jù)線連接，只要放置于充電板上就可以實(shí)現(xiàn)無線充電，但是由于手機(jī)背部的接受裝置范圍小，必須實(shí)現(xiàn)接收裝置與充電區(qū)域的準(zhǔn)確對(duì)接才能順利充電，且由于兩級(jí)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(shí)間更長。之后第二代無線充電器從2007年的無線電力傳輸實(shí)驗(yàn)成功獲取靈感，使用電磁共振方式在增加頻率的同時(shí)，以藍(lán)牙通信取代磁場耦合，實(shí)現(xiàn)了充電技術(shù)的穩(wěn)定性和一對(duì)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(duì)接收裝置與充電板的對(duì)合準(zhǔn)確度要求放寬。相應(yīng)地，針對(duì)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(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行融合、修正。目前最受歡迎的Qi標(biāo)準(zhǔn)就是對(duì)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(diǎn)，能將手機(jī)接收裝置與充電區(qū)域?qū)?zhǔn)，自動(dòng)識(shí)別手機(jī)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(jī)面世，但都未能擺脫充電板的束縛，雖然無須進(jìn)行數(shù)據(jù)線的拔插，但是依然要求手機(jī)在充電時(shí)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(jī)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(jī)，但是現(xiàn)實(shí)是這種無線充電技術(shù)對(duì)距離的限定仍然十分嚴(yán)格，大致在10cm數(shù)量級(jí)，而且即便再這個(gè)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(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的遠(yuǎn)距離充電，真正實(shí)現(xiàn)無線充電。但這一技術(shù)傳遞效率低的缺陷會(huì)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(duì)人體的傷害，這都是需要進(jìn)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(shí)驗(yàn)的成功開始進(jìn)入人們視野，到2007年的麻省理工團(tuán)隊(duì)使其曙光再現(xiàn)，之后的不到十年的時(shí)間里，手機(jī)行業(yè)的無線充電技術(shù)儼然成了眾多手機(jī)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(jī)，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(diǎn)，這些缺點(diǎn)是手機(jī)無線充電技術(shù)前進(jìn)路上的絆腳石，需要手機(jī)制造商們加大科研力度，改善現(xiàn)有癥狀，實(shí)現(xiàn)真正意義上的無線充電。

[1]孟慶奎.手機(jī)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(jī)無線充電技術(shù)的研究[J].數(shù)字化用戶,2013（36）.