1、 杭州电子科技大学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 文 献 综 述 毕业设计（论文）题目 无线 充电模块的设计 文献综述题目 无线 充电的发展现状与应用前景 学 院 电子信息学院 专 业 * 姓 名 郑 * 班 级 0904* 学 号 0904* 指导教师 * 无线充电的发展现状与应用前景 一、 前言 无线 充电是近年来兴起的 一种 新 型充电 技术 ， 顾名思义 ，即不借助 充电 线材既可实现对一定空间范围内的充电。与 传统 有线充电相比，无线充电具有体积小、 便携 性高、兼容性强 、 有利于用电设备防水防尘设计 等优点。但 同时 无线充电也存在 标准 不统一、效率 较 低、存在辐射危险等缺
2、陷。 无线 充电主要基于无线电力传输技术。早 在 19 世纪 30 年代， Michael Faraday 就发现变化的磁场中会产生电流，而闭合电路中也会产生磁场。 但遗憾的是，由于电磁场本身带来的传输效率低、辐射危险大等关键问题没有实质性突破，这方面的研究一直没有进展。 香港城市大学电子工程学系许树源教授在早几年曾成功研制出 “无线电池充电平台 ”，可将数个电子产品放在一个充电平台上，利用近场电磁耦合原理透过低频电磁场充电。 2007 年 6 月 ，美国麻省理工学院的 Marin Soljacic 等人在无线传输电力方面取得了新进展，他们用两米外的一个电源 ，“隔地” 点亮了一盏 60 瓦的
3、灯泡 1。 2008年底， 世界第一个无线充电标准组织 无线充电联盟（ Wireless Power Consortium）成立，并在 2010 年发布了首个无线充电标准 Qi 标准，为低功率无线充电设备的普及提供了技术支持 2。 如今 ， 随着符合 Qi 标准 的无线充电设备大量上市 ， 无线充电开始进入了我 们 的日常生活，有望 取代 有线充电成为主流。在 接下 来的文字中，我们将具体讨论 目前 无线充电 的 实现方法、效率、辐射及应用等问题。 二 、 无线 充电的实现方法、 技术 问题与应用 1、无线 充电实现方法 无线 充电 是在 无线电能传输的基础 上 实现的，依据无线电能传输 原理
4、 的不同，无线充电 可 分为电磁感应式、 电磁 共振式、电磁辐射式和电容感应式四种 13。 电磁 感应式无线 充电 是目前最为成熟的无线充电技术。 其 基本原理是 采用 非接触变压 器耦合进行电力传输 ： 将系统变压器 耦合 磁路分开， 变压 器原边绕组 流过 的是经高频 振荡的交流电，通过原、副绕组 （即 发射与接收线圈） 之间 产生的电 磁 感应 来 完成电力传输 。电磁 感应式无线充电 成本较低 ，可以 实现 微型化 ，是 目前市场上最常见的无线充电方式。虽然 电磁 感应式技术比较成熟，但也有很多限制。 比如 电能发射 和接收线圈的相对位置 、 气隙宽度都会 影响电能 的传输 。 随着
5、线圈位置偏差和 气 隙宽度的增加，磁场会快速衰减。 为 了减小前二者的影响，势必要增加磁场强度，但这会 增加 电能消耗、增加电磁辐射与电磁干扰。所以 电磁 感应式无线充电只 适合 短距离内应用 。 无线 充电 联盟的 Qi 标准 便 是 建立 在此基础上的。 电 网整 流 滤 波功 率 因 素校 正高 频 逆 变整 流 滤 波功 率 调 节充 电 电 路原 边绕 组副 边绕 组可 分 离 变 压 器图 1 电磁 感应式无 线充电原理 电磁 共振式 又 称 WiTricity 技术 ， 是由 麻 省理工学院的研究人员提出的。 该 系统的 发射与接收端也采用电感线圈来传输 、 接收 能量 ， 当发
6、射 端 的磁场振荡频率与 接收线圈的固有频率相同时，二者便会形成一个共振系统 ，能量在 这个 相对 封闭的系统内传输，对系统之外的物体不会产生干扰，也不会产生 电 磁辐射。 2007 年 6 月 美国麻省理工学院的 Marin Soljacic 等人便 采用此技术 点亮 了 7 英尺 外的 一盏 60 瓦的灯泡。虽然 电磁 共振式与电磁感应式看起来非常相似， 但 磁场共振 工作频率 较高 ， 大概在10MHz 到 300MHz 之间，系统 及 线圈 Q 值 要求在 1000 以上 ，所 产生 的连结在效率方面比电磁感应高出 一百 万倍 ，有 效传输距离可达 数 米 4， 所以电磁 共振 式 适
7、合中 程 电能传输。 但 由于 对 线圈的品质因数 Q 要求 太高， 该 技术 近期 难以实现商业化。 电磁 辐射式与电容感应式 是 另外两种 不 常见的无线充电 方式 。 电磁 辐射式主要采用微波 波段 进行电能传输，由于频率很高， 能量 可以顺利通过电离层 而 不反射。 宇宙空间对微波传输十分理想，几乎没有能量损耗， 而 微波通过大气层 时 的损耗 也仅 为2%。 电源 经 转换 变成 微波 后，通过发射站的 发射天线 送到空间 ， 然后传输到地面微波接收 站 ，转换 后 供用户使用。 其 传输距离在几千米及以上， 属于 远程传输 1。 电容感应式又称电容耦合 或 电场耦合式， 通过 对
8、置送 电侧电极与受电侧电极 ， 利用 两 电极间产生的感应电场 来 供电 ，与 电磁感应式相比，具有抗水平错位 、 容易嵌入用电设备的特点 。 该 充电 方式 目前 只有 日本 的 株式会社 村 田制作所采用 ， 2011 年 底 已经 实现量产。 2、电磁 感应式无线充电的效率 目前 理论最成熟且成功投入 市场 的无线充电方式 当 属 电磁 感应式。 由于 电磁 场 具有 发 散性 ，能量 传输不定向， 接收线圈 接收到 的 能量 会 随着距离的增加 而 迅速减小 ，所以距离 和 接收 、 发送 线圈比例 是电磁感应式无线充电 效率 的敏感因素。 假设 线圈的品质 因数高达 1000，参照
9、图 2 我们可以 看到 线圈比例 和线圈 距离 对系统效率的影响。 图 中 横 坐标为 距离 与 发射 线圈 直径的 比 。 图 2 接收与 发射线圈 的 比例 和 距离对 传输 效率的影响 5 当 线圈 比例与相对距离确定后，影响系统效率的几个关键 因素 为 耦合系数 k、 系统品质因数 Q、负载 匹配系数 。 耦合 系数 k 为 两线圈 互感 M 与其自身电感的几何平均值之比 ： k = (1) 系统 品质因数为接收、发射线圈 品质 因数 的几何平均 数： Q = (2) 负载 匹配系数 定义 为负载 阻抗 与 接收 系统特征阻抗之比： = (3) 定义 系统损耗 系数 = ， 经 计算，
10、 = + = + 2 + 1 2 + 1 2 (4) 其中 ， q = ， = 1 。以上 等式是基于图 3 的系统 等效电路 计算而得的 6。 图 3 电磁 感应系统等效电路 可见 ， 改善 发射与接收线圈的耦合 程度 ， 实现 负载匹配可以有效地降低系统损耗，提高无线充电的效率。 3、电磁 感应式无线充电的辐射 由于 电磁感应式无线充电的发射与接收线圈 在 工作 时 会形成一个开放的磁场，这就不可避免 地 会对周围的事物产生辐射影响。 电磁 辐射主要指由磁场 产生 的非电离辐射 ， 非电离辐射 对 人的影响 随着 电磁波频率 的 增 加而 增大。电磁 感应 式无线充电 器 的工作基本在几
11、KHz 到 几 MHz 之间 ， 频率较低 ，辐射产生 的 影响主要 以 热效应 和 感应电 流的方式出现。 热 效应是指电磁辐射会加速人体体内的 分子 运动，而使温度升高，这 与 晒太阳 的 原理相同 。另外， 当人 暴露 在电磁场中的时候，人 的身体 会 产生 感应电流， 当感应电流 大小 超过 0.7mA 的 时候， 个人 开始有 所 感觉 。 电流增大 ，人受到的危险也 会增大。 为 了保护人身安全，国际非电离辐射委员会 （ ICNIRP）制订了电磁场等级设计标准 7。 根据 该 标准 ，我们可以计算出在辐射安全的情况下， 不同工作 频率 的 电磁场的最大输出功率 ，如 图 4： 图
12、4 由 ICNIRP 标准 确定的磁场最大输出功率 5 实际 上，由于电磁感应式无线充电发射端与接收端距离在 40mm 以内，泄露到 无线 充电设备外的磁场十分 有限 ， 而 只有当人 把 充电设备放置充电板上 的 一瞬间 ， 人手才 会暴露 在 发射与接收线圈之间的强磁场中 。因此 ， 我们可以 将磁场强度 提高若干个数量级，既有利于 增加 输出功率，也不会对人体产生太大的影响 。 4、 无线充电的 标准 与前景预期 目前 ， 无线 充电 的 发展 由 3 个 标准联盟 组织 推动 ，这 三个 联盟 组织 分别 有自己独立的 无线 充电 标准 ，且基本不兼容。 这 三个标准是 PWA、 Qi
13、 和 A4WP 标准 8。 PWA 标准 全称为 Power Matters Alliance， 由 Duracell Powermat 公司发起， 主 要成员有 AT&T、 Google、 星 巴克、华为、中兴、 Samsung 以及 LG， 在无线充电领域具有领导地位 。 目前 ，该组织已经推出 一款 WiCC 充电 卡 ， 采用 电磁感应技术 ， 成品只有 SD 卡 大小。 另 据报道 ，其 已经在星巴克咖啡店、机场等场所部署了 1500 多个无线充 电基站 。 Qi 标准 是 由 全球 首个无线充电标准化组织 无线充电 联盟 （ Wireless Power Consortium） 于
14、 2010 年在 中 国发布 的无线充电标准。 该 标准主要 为 功率 在 5W 及 5W以下的 无线 充电模块 提供技术 支持 。目前 ，无线充电联盟已有成员 企业 138 家 ， 包括Atmel、 Nokia、 Philips、 TI 以及 我国 信息产业部通信电磁兼容质量监督检验中心。 已经 上市的 Qi 产品众多，如 Nokia Lumia 920、 LG Nexus 4、劲量、 Powermat 等品牌的大量不同款式的无线充电器 。这些 符合 Qi 标准 的充电器 充电 效率在 70%以上 ，而且很 快就会 达到 98%9。 Qi 已经 成为 了 推动无线充电事业发展的中坚力量。 A
15、4WP 是 Alliance for Wireless Power 标准的简称，由美国高通公司、韩国三星 公司和 Powermat 公司共同创建。 与 前两者不同，该标准采用 电磁 共振式 无线 充电 方式 ，可以 实现更大范围、更多设备无线充电 。 由于 技术问题 ， A4WP 的 充电效率和充电速度远不及 Qi 设备 ， 目前 尚无上市产品。 随着 以 无线充电 技术的发展，无线充电 已经嵌入 到手机等 日常用品 之中， 其 对充电方式的简化以及对人们生活习惯的改变证明 了 它有广阔的发展前景 。据 IMS Research 2010 年 分析，无线充电 主要 的应用 将在手机 领域 ，
16、如图 5 所示。图 6 给出了 无线 充电的 市场预期 。 按中等 估计，到 2014 年 时无线充电设备将达 2 亿 部 10。 图 5 无线 充电 的 应用领域 图 6 无线 充电市场预期 10 三 、总结 随着 科学技术的发展，人类已经成功地从有线通信 时代 步入了无线通信时代。 现在 ，无线充电也在以非常迅猛的态势发展， 据悉 ， 2013 年 无线充电 的市场估 值将达到 140 亿 美元。 普及 无线充电的时代已经到来。 无线 充电目前已经有四种比较成熟的方式，电磁感应式简单、便捷，成功地为无线充电开辟了市场，近几年 来 ， 电磁 感应式无线充电必定是 无线 充电的主流模式。但是
17、，由电磁场自身带来的缺陷势必会限制其发展。 与其它 无线充电方式 相比 ，电磁共振式建立在一个更好的理论基础上，具有效率高 、距离 远 、 无辐射 、 无电磁干扰的优点，符合当代人的 技术 追求 。虽然 电磁共振式无线充电对 线圈 的品质因数的要求极为苛刻，但随着生产工艺的提高或替代 材料 的发现，共振式无线充电设备也可以 实现 微型化、平民化。目前 ， 电磁共振式无线充电 的发展 得到了以 MIT 为 首的高校和 以 高通 、 三星为代表的商业集团的 大力 支持，前景 十分 广阔。 相信 在不久的将 来， 充电 触手可及。 四 、参考文献 1 常 书惠 无线 电能传输技术与 Qi 标准 J电
18、子 商务， 2011， 4： 73-74 2 Wireless Power Consortium Wireless Power Consortium Home PageEB/OL http:/ 2013-4-26. 3 WMPTC 微功率无线充电联盟无线输电原理 EB/OL http:/ 2013-4-26 4 陈 乃塘 无线 电力传输技术大 跃进 WiTricit 点亮无限 可能 J 新通 讯 2008，9(91) 5 Eberhard Waffenschmidt Wireless Power for Mobile DevicesR Amsterdam, Netherlands： Telec
19、ommunications Energy Conference (INTELEC), 2011 IEEE 33rd International， 2011-10 6 Eberhard Waffenschmidt， Toine Staring Limitation of inductive power transfer for consumer applicationsR Barcelona： Power Electronics and Applications, 2009. EPE 09. 13th European Conference， 2009-9 7 International Com
20、mission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP) Guidelines for limiting exposure to time-varying electric, magnetic, and electromagnetic fieldsJ Health Physics， 1998， 74(4)， 494-522 8 张召林 无线充电技术的三大主流标准： PLA、 Qi 和 A4WPEB/OL http:/ 2012-11-14/2013-04-26 9 李 研 Qi 开启无线充电生活 J 中 国经济周刊 2010， 36： 66-67 10 王莹 无线充电动向 J电子 产品世界 2011， 18(11)： 23-25
