无线充电原理讲解

Charge----无线充电原理

引言：随着无线充电越来越普及，消费电子，工业仪器，车载等等领域使用越来越普遍，本节主要讲述现阶段比较流行的两种无线充电原理（电磁感应方式和磁场共振方式）。

1.电磁感应方式

电磁感应方式是利用送电侧与受电侧之间产生的感应磁通量来传输功率，是普遍的无线供电方式，优点是电路结构简单，效率高，可以做到小型化且成本低。缺点是传输距离短，容量受位置偏离的影响，必须一对一，精准对位才能充电。

图4-1：电磁感应方式原理图

电磁感应方式遵循法拉第电磁感应定律，法拉第电磁感应定律，是在消除磁通量变化的方向上产生感应电动势，如图4-1，简述即交流电生成变化的磁场，变化的磁场切割线圈再生成交流电。方程如下：其中ΔΦ/Δt是极短时间内穿过线圈的磁通量的变化率。

线圈初级侧供给交流电压时会产生磁通量，为消除这些磁通量，次级侧产生感应电动势。次级侧产生的功率可以用给设备充电。用于送电初级线圈侧称为发射器，受电次级线圈侧称为接收器。

2.磁场共振方式

磁场共振方式是送电侧与受电侧的谐振器与磁场共振，从而传输功率的方式，适用于长距离传输，作为EV的充电用途正在推进开发，其中如何提高效率成为了研究的重点。磁场共振，只在以同一频率共振的无线充电线圈之间传输，所以其他装置无法接收。

如图4-2所示，磁场共振在充电器和设备之间的电场和磁场中传输电能，线圈和电容器则在充电器与设备之间形成共振。利用磁共振耦合收发端的磁场同频共振来隔空转移能量，当我们用一个射频能量来激励发射端时，会在发射端周围的空间产生一个功率场，在这个场中的任意位置处任意时刻的磁场和电场之间呈正交关系，并且在相位上相差1/2π，而且磁场强度远高于电场强度，这个空间电磁场它可以储存能量，但合成的电磁波功率流密度为0，不会传输任何能量，也就是说这个场不会向外辐射，也不会向内损耗，当我们将具有同样谐振频率的接收端放置于这个场内时，收发端之间就会产生同频磁场谐振，能量从发射端以磁场的形式耦合到接收端，从而实现能量的空间转移。

图4-2：磁场共振方式原理图

磁共振方式从物理原理上属于非辐射式无线电能传输方式，因此在自由空间中的电磁辐射损耗很小，比如一个典型的50W左右的磁共振无线充电系统，它的总的辐射能量不到500mW。

磁共振技术可以达成以一（发射器）对多（接收器）的无线充电应用模式，大幅提升实用性以及便利性。基于AirFuel核心技术开发的磁共振无线充电产品，可广泛用于候机室，咖啡厅，连锁酒店，酒吧等等场景，无线供电距离可达10cm，充电设备可随意在平面内摆放，移动，充电体验更加自由便捷。

3.电场耦合方式

送电侧与受电侧分别连接电极，使形成电容器，通过高频传输功率以及在对侧电极也有电流流过的现象（谐波电流），从而传输功率的方式。虽然与电磁感应方式同为短距离传输，但不易受到位置偏移的影响，且供电部位发热少，但缺点是产生高电压的变压器厚度变大。

4.电波接收方式

即送电侧将电流转换为电磁波，而受电侧的天线接收该电磁波，然后在整流电路中将其转换为直流电流，是利用电磁场进行供电的方式。具有数米的长距离传输，但效率低是其最大的短板。

5.相关组织

WPC是Wireless Power Consortium的简称，是以无线供电国际标准Qi的制定和普及为目的设立的组织。Qi标准以往只有5W以下的BPP（Base Power Profile），之后相继制定出了15W以下的EPP（Extended Power Profile），因此实现了与有线充电能力相当的无线充电功率。

有别于WPC的另一个无线组织是AirFuel Alliance，由PMA（Power Matters Alliance）的PMA标准（电磁感应方式）和A4WP（Alliance for Wireless Power）的Rezence（磁场谐振方式）整合而成。

值得注意的是，AirFuel联盟的磁共振无线充电标准越来越流行，一向推行磁感应技术的WPC也在推出下一代同步支持磁共振和磁感应的Qi 1.2版本标准。在WPC Qi 1.2规范发布后，WPC联盟也开始支持和转向磁共振技术，主攻智能移动设备，游戏周边等等，现在已经更新到WPC Qi 1.3。

Qi标准的工作频率范围大致在100KHZ~200KHZ，而PMA标准提供高达5W的电力需要的频率接近这个数字的两倍。PMA和Qi标准其实很相似，都是基于“磁感应”(“MI”)原则。 但它们的无线电源接收器和发送器之间的通信方法相当不同。Airfuel基于稍微不同的原理，这个原理被称为 “MR”，是磁共振的意思。 这个标准的早期版本允许传送的电力为3.5W和6.5W，但最近这个数值已被提高到50W。虽然MR的基本原理也是感应定律，但使用的却是耦合更为松散但调谐更紧密的接收和发射线圈，这些线圈Q值（质量因数）非常高，所以在大约7MHz（业内常用6.78MHZ的谐振频率）的频率上能够发动谐振转移。