無線充電原理

引言：隨著無線充電越來越普及，消費電子，工業儀器，車載等等領域使用越來越普遍，本節主要講述現階段比較流行的兩種無線充電原理（電磁感應方式和磁場共振方式）。

1.電磁感應方式

電磁感應方式是利用送電側與受電側之間產生的感應磁通量來傳輸功率，是普遍的無線供電方式，優點是電路結構簡單，效率高，可以做到小型化且成本低。缺點是傳輸距離短，容量受位置偏離的影響，必須一對一，精準對位才能充電。

圖4-1：電磁感應方式原理圖

電磁感應方式遵循法拉第電磁感應定律，法拉第電磁感應定律，是在消除磁通量變化的方向上產生感應電動勢，如圖4-1，簡述即交流電生成變化的磁場，變化的磁場切割線圈再生成交流電。方程如下：其中ΔΦ/Δt是極短時間內穿過線圈的磁通量的變化率。

線圈初級側供給交流電壓時會產生磁通量，為消除這些磁通量，次級側產生感應電動勢。次級側產生的功率可以用給設備充電。用于送電初級線圈側稱為發射器，受電次級線圈側稱為接收器。

2.磁場共振方式

磁場共振方式是送電側與受電側的

諧振器

與磁場共振，從而傳輸功率的方式，適用于長距離傳輸，作為EV的充電用途正在推進開發，其中如何提高效率成為了研究的重點。磁場共振，只在以同一頻率共振的無線充電線圈之間傳輸，所以其他裝置無法接收。

如圖4-2所示，磁場共振在充電器和設備之間的電場和磁場中傳輸電能，線圈和電容器則在充電器與設備之間形成共振。利用磁共振耦合收發端的磁場同頻共振來隔空轉移能量，當我們用一個射頻
能量來激勵發射端時，會在發射端周圍的空間產生一個功率場，在這個場中的任意位置處任意時刻的磁場和電場之間呈正交關系，并且在相位上相差1/2π，而且磁場強度遠高于電場強度，這個空間電磁場它可以儲存能量，但合成的電磁波功率流密度為0，不會傳輸任何能量，也就是說這個場不會向外輻射，也不會向內損耗，當我們將具有同樣諧振頻率的接收端放置于這個場內時，收發端之間就會產生同頻磁場諧振，能量從發射端以磁場的形式耦合到接收端，從而實現能量的空間轉移。

圖4-2：磁場共振方式原理圖

磁共振方式從物理原理上屬于非輻射式無線電能傳輸方式，因此在自由空間中的電磁輻射損耗很小，比如一個典型的50W左右的磁共振無線充電系統，它的總的輻射能量不到500mW。

磁共振技術可以達成以一（發射器）對多（接收器）的無線充電應用模式，大幅提升實用性以及便利性。基于AirFuel核心技術開發的磁共振無線充電產品，可廣泛用于候機室，咖啡廳，連鎖酒店，酒吧等等場景，無線供電距離可達10cm，充電設備可隨意在平面內擺放，移動，充電體驗更加自由便捷。

3.電場耦合方式

送電側與受電側分別連接電極，使形成電容器，通過高頻傳輸功率以及在對側電極也有電流流過的現象（諧波電流），從而傳輸功率的方式。雖然與電磁感應方式同為短距離傳輸，但不易受到位置偏移的影響，且供電部位發熱少，但缺點是產生高電壓的變壓器厚度變大。

4.電波接收方式

即送電側將電流轉換為電磁波，而受電側的天線接收該電磁波，然后在整流電路中將其轉換為直流電流，是利用電磁場進行供電的方式。具有數米的長距離傳輸，但效率低是其最大的短板。

5.相關組織

WPC是Wireless Power Consortium的簡稱，是以無線供電國際標準Qi的制定和普及為目的設立的組織。Qi標準以往只有5W以下的BPP（Base Power Profile），之后相繼制定出了15W以下的EPP（Extended Power Profile），因此實現了與有線充電能力相當的無線充電功率。有別于WPC的另一個無線組織是AirFuel Alliance，由PMA（Power Matters Alliance）的PMA標準（電磁感應方式）和A4WP（Alliance for Wireless Power）的Rezence（磁場諧振方式）整合而成。

值得注意的是，AirFuel聯盟的磁共振無線充電標準越來越流行，一向推行磁感應技術的WPC也在推出下一代同步支持磁共振和磁感應的Qi 1.2版本標準。在WPC Qi 1.2規范發布后，WPC聯盟也開始支持和轉向磁共振技術，主攻智能移動設備，游戲周邊等等，現在已經更新到WPC Qi 1.3。

Qi標準的工作頻率范圍大致在100KHZ~200KHZ，而PMA標準提供高達5W的電力需要的頻率接近這個數字的兩倍。PMA和Qi標準其實很相似，都是基于“磁感應”(“MI”)原則。 但它們的無線電源接收器和發送器之間的通信方法相當不同。

Airfuel基于稍微不同的原理，這個原理被稱為 “MR”，是磁共振的意思。 這個標準的早期版本允許傳送的電力為3.5W和6.5W，但最近這個數值已被提高到50W。雖然MR的基本原理也是感應定律，但使用的卻是耦合更為松散但調諧更緊密的接收和發射線圈，這些線圈Q值（質量因數）非常高，所以在大約7MHz（業內常用6.78MHZ的諧振頻率）的頻率上能夠發動諧振轉移。