简易无线充电装置的理论分析
摘要：
随着无线传输技术的进一步发展，无线充电已经在电动牙刷、电动剃须刀、无线电话等部分家电产品中实用化，扔掉电源线，给自己的智能手机进行无线充电也已经成为现实。本文通过对无线输电的原理进行学习，探究现有各种无线输电方案的优劣，以及其应用于智能手机无线充电的发展前景,学习无线充电的行业标准。
关键词：无线充电原理装置
正文：
一、无线输电发展历史
以无线的方式传输电能，其实是一项非常古老的技术，它可以追溯到人类开始拥有电力的19 世纪。当时对于电力的传送有两种思路，一种是以爱迪生为代表的有线派，即架设线缆用于电力的远距离传输，这种方案成熟可靠，缺点是工程量巨大，并且成本高昂。还有一种就是尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla，世界上第一台交流电发电机的发明者)在19 世纪末提出的无线传输方式，特斯拉当时构想通过电磁感应的方式，让电能以大地和天空电离层为介质进行低损耗的传送。这项实验据说获得成功，但是因政治和经济因素被中止。无线传输技术后来只是被用于电信号发送领域，也就是信息的交流，远距离能量传输从来都没有进入实用化，虽然它在物理学上是完全可行的。
直到一百年后的今天，这种局面才获得改变。在电动牙刷、剃须刀等不少低功率的日用家电产品中，我们看到了非接触式无线充电技术的应用，给用户带来相当的便利。随着无源式RFID 电子标签的实用化和无线网络技术的大发展，诸如隔空点亮灯泡的无线供电实验也屡见报端，这一切都点亮了人们对“无线”未来生活的无限憧憬，科学界也不遗余力地朝着这个方向努力。
2001 年 5 月，国际无线电力传输技术会议在印度洋上的法属留尼汪岛(Reunion Island,France)召开，法国国家科学研究中心的皮格努莱特(G. Pignolet)作了一个公开实验：他
利用微波技术，将电能以无线的方式传输，最后点亮了一个40 米外的200 瓦灯泡。其后，据研究者有关文章介绍2003 年在岛上建造的10 千瓦试验型微波输电装置，已开始以2.45GHz频率向接近1km 的格朗巴桑村(Grand-Bassin)进行点对点无线供电。
到2006 年末，也有报道称麻省理工学院在无线电力传输技术上获得突破：以物理学助教授马林·索尔贾希克为首的研究团队试制出的无线供电装置，可以点亮相隔 2.1 米远的60瓦电灯泡，能量效率可达到40％，相关内容刊登在2007 年6 月7 日的《ScienceExpress》在线杂志上。这个“隔空点灯泡”实验引起了欧美及全球各大媒体的极大关注。后来英特尔西雅图实验室的Joshua R.Smith 在这一成果上进行改进研究，并将供电效率提高到75%（1米范围内），这样的效率相当了不起，对于笔记本电脑、智能手机、平板这样的设备来说已足够优秀，而英特尔也在2008 年8 月的信息技术峰会上对此作了演示。
不过，相对于大功率电能传输，小功率的无线充电技术更具实用价值，需要频繁充电的智能手机是该项技术最大的受益者。在四年后的今天，我们在诺基亚Lumia 920 智能手机上看到了商用级无线充电技术的身影，与此同时大量的手机厂商和外设厂商跟进，针对智能手机的无线充电技术一夜之间就进入爆发前夜。
二、无线充电的四种原理
无线充电四大“流派”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，但是能量效率较高、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“电场耦合”方式，它具有体积小、发热低和高效率的优势，缺点在于开发和支持者较少，不利于普及；第四类则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。
1.电磁感应方式
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。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。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。
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。
2.磁共振方式
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。
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。
3.电场耦合方式
日本村田制作所开发的“电场耦合”无线供电系统则属于少数派，隶属于这一体系的还包括日本的竹中工务店。电场耦合方式与“电磁感应”及“磁共振”方式都不同，它的传输媒介不是磁场而是电场。
