电磁场理论在无线充电技术中的应用

电磁场理论在无线充电技术中的应用摘要：无线充电已经在电动牙刷、电动剃须刀、无绳电话等部分家电产品中实用化，现在其应用范围又扩大到了智能手机领域及电动汽车和列车领域。未来可以将无线充电装置安装在办公桌内部,只要将笔记本或PDA等电器放在桌上就能够立即供电。本文详细介绍了四种主要的无线充电技术，即电磁感应式充电、磁共振式充电、无线电波式充电和电场耦合式充电。关键词：无线充电电磁感应磁共振无线电波电场耦合0.引言近年来，智能手机相关的技术日益成熟，其所带来的科技成就也不断地引人注目。扔掉电源线，给自己的智能手机|进行无线充电，这对于许多人来说可能有点天方夜谭。但事实上，无线充电技术其实很久以前就出现了，不过经过近几年的发展，现在才变得成熟好用，并很快就要进入大规模的商用化时代，这项不为大众所熟悉的技术，正悄然来到我们的面前。1.无线充电技术分类所谓无线充电技术（Wirelesschargingtechnology），顾名思义，是通过空气向电子设备传送能量来达到充电的目的。无线充电技术可以分为四种类型。第一类是通过电磁感应“磁耦合”进行短程传输，它的特点是传输距离短、使用位置相对固定，但是能量效率高、技术简单，很适|合作为无线充电技术使用。第二类是将电能以电磁波“射频”或非辐射性谐振“磁共振”等形式传输，它具有较高的效率和非常好的灵活性，是目前业内的开发重点。第三类是将电能以微波的形式无线传送——发射到远端的接收天线，然后通过整流、调制等处理后使用，虽然这种方式能效很低，但使用最为方便，英特尔是这项方案的支持者。第四类则是“电场耦合”的方式，它具有体积小、发热量小和高效率的优势，缺点在于开发和支持者较少，不利于普及。表1四种无线充电方式无线供电方式示意图简要说明电磁感应方式利用两个平行排列的线圈间因电磁感应而产生感应|电流的原理来供电的方式磁共振方式其原理与电磁感应方式相同，利用磁共振方式进行的非接触式供电电场耦合方式将两个平面电极平行排列，利用电场耦合的原理来供电的方式电波方式将天线接收的电波信号转换成电能的方式1.1电磁感应式充电我们今天见到的各类无线充电技术，大多是采用电磁感应技术，我们可以将这项技术看作是分离式的变压器。法拉第电磁感应定律即感应电动势与穿过回路所围面积的磁通量的时间变化率成正比，其数学表达式为(1）

1我们知道，现在广泛应用的变压器由一个磁芯和二个线圈(初级线圈、次级线圈)组成；当初级线圈两端加|上一个交变电压时，磁芯中就会产生一个交变磁场，从而在次级线圈上感应一个相同频率的交流电压，电能就从输入电路传输至输出电路。根据电磁感应定律可以得到(2)其中是初级线圈两端的电压，流经的电流和自感，是次级线圈两端的电压，流经的电流和自感，是初级线圈和次级线圈之间的互感。工作在正弦稳态条件下的耦合电感，其复数形式的电压电流关系为：(3)如果将发射端的线圈和接收端的线圈放在两个分离的设备中，当电能输入到发射端线圈时，就会产生一个磁场，磁场感应到接收端的线圈、就产生了电流，这样我们就构建了一套无线电能传输系统。这|套系统的主要缺陷在于，磁场随着距离的增加快速减弱，一般只能在数毫米至10厘米的范围内工作，加上能量是朝着四面八方发散式的，因此感应电流远远小于输入电流，能源效率并不高。但对于近距离接触的物体这就不存在问题了。最早利用这一原理的无线充电产品是电动牙刷——电动牙刷由于经常接触到水，所以采用无接点充电方式，可使得充电接触点不暴露在外，增强了产品的防水性，也可以整体水洗。在充电插座和牙刷中各有一个线圈，当牙刷放在充电座上时就有磁耦合作用，利用电磁感应的原理来传送电力，感应电压经过整流后就可对牙刷内部的充电电池充电|。线圈之间也是有可能有杂物进入的，还有某些动物（猫狗）进入里面，一旦产生电涡流，就如同电磁炉一样，安全性问题非常明显。这种工作方式用在智能手机中完全可行，苹果公司、摩托罗拉公司、LG、松下和NTT DoCoMo都在开发各自的无线充电器。理论上说，只要在充电座和手机中分别安装发射和接收电能的线圈，就能实现像电动牙刷一样的无节点充电。由此，手机的充电方式可以变得更加灵活，接口也有望得到统一，提高用户使用的方便性。 1.2磁共振式充电与电磁感应方式相比，磁共振技术在距离上就有了一定的宽容度，它可以支持数厘米至数|米的无线充电，使用上更加灵活。磁共振同样要使用两个规格完全匹配的线圈，一个线圈通电后产生磁场，另一个线圈因此共振、产生的电流就可以点亮灯泡或者给设备充电。除了距离较远外，磁共振方式还可以同时对多个设备进行充电，并且对设备的位置并没有严格的限制，使用灵活度在各项技术中居于榜首。在传输效率方面，磁共振方式可以达到40%～60%，虽然相对较低但也进入商用化没有任何问题。磁场共振方式，是现在最被看好、被认为是将来最有希望广泛应用于电动汽车的一种方式：磁场共振式供电，目前技术上的难点是小型、高效率化比较难。现在的技|术能力大约是直径半米的线圈，能在1m左右的距离提供60w的电力。富士通公司在2010年对磁共振系统进行展示，在演示中它成功地在15厘米距离内点亮两个灯泡，具备良好的实用价值。除了富士通外，长野日本无线、索尼、高通、WiTricity都采取这项技术来开发自己的无线充电方案，其中WiTricity的应用领域是为电动汽车无线充电。1.3无线电波式充电英特尔公司是无线电波充电方式的拥护者，这项技术采用微波作为能量的传递信号，接收方接受到能量波以后，再经过共振电路和整流电路将其还原为设备可用的直流电。这种方式就相当|于我们常用的WiF

2i无线网络，发收双方都各自拥有一个专门的天线，所不同的是，这一次传递的不是信号而是电能量。微波的频率在300MHz～300GHz之间，波长则在毫米-分米-米级别，微波传输能量的能力非常强大，我们家庭中的微波炉即是用到它的热效应，而英特尔的微波无线充电技术，则是将微波能量转换回电信号。无线电波充电方式的缺点相当明显，就是能量是四面八方发散的，导致其能量利用效率低得出奇，如英特尔的这套方案