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1、电磁场理论在无线充电技术中 的应用作者:日期:23 孙文昊 电磁场理论在无线充电技术中的应用绪论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。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
2、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(Wireless charging technology)，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
3、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。（1）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（2）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1.1电磁感应式充电各类无线充电技术，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
4、量的时间变化率成正比，其数学表达式为in d B dSdt dt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uidLdndL1di1Mdildt dt dt dt dtu2d2d21d22MiL L2dkdt dt dtdt dt其中Ui,ii,Li是初级线圈两端的电压，流经的电流和自感，U2,i2,L2是次级线圈两端的电压，流经的电流和自感， M是初级线圈和次级线圈之 间的互感。工作在正弦稳态条
5、件下的耦合 电感，其复数形式的电压电流关系为：?U1 j L1 I1 j M I2?U2jM I1jL2 12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 产品是电动牙刷一一电动牙刷由于经常接触到水， 所以采用无接点充
6、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。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
7、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沧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、 WiTri
8、city 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。2.总结无线充电设计最难的部分在于安全。因为无线充电系统与电磁炉 一样会发射电磁波能量，有两大问题，一是长期发射，长时间下会造 成能源浪费。二是当充电系统上放的金属异物，电磁波对其加热，轻 则烧毁装置，重则发生火灾。所以需要有“受电端目标物辨识”，当 正确的目标放置时才送电。侦测装置的方法比如：（1）磁力激活受电 端装磁铁，发射端感受到磁力才发送能量。这种方法简单有效。（2）感应线圈上的资料传送，也是认为最安全的方法，与RFID原理一样，电力传送中识别码一起传送和验证。但解决系统噪声和负载电流变化 的干扰是难题。无线充电技术目前还存在着一些缺陷， 比如能量损耗大、不能支 持大功率充电、不能支持远距离、电磁辐射大、安全隐患等问题。但 这些都不能阻挡它展现它的魅力，试想一下，如果将来我们的手机、 电脑等不再需要电线的束缚，如果我们再也不用随身带着大堆的数据 线出远门，如果电动车等交通工具可以边走边充电，那样的生活，将 是无限的便捷和美好。相信在不远的将来，科学家们能够解决这一个 个技术难关，用物理改变生活，用科技让生活更加美好！