无线充电器是什么

无线充电打破了电能传输只能依靠导线直接接触式传输的方式，属于非接触式传输，能够避免接触式电能传输可能带来的接触火花、滑动磨损、爆炸电击等问题。

随着用电设备对供电质量、安全性、可靠性、方便性、即时性、特殊场合、特殊地理环境等要求的不断提高，使得接触式电能传输方式越来越不能满足实际需要。

无线充电器是利用电磁感应原理进行充电的设备，其原理和变压器相似，通过在发送和接收端各安置一个线圈，发送端线圈在电力的作用下向外界发出电磁信号，接收端线圈收到电磁信号并且将电磁信号转变为电流，从而达到无线充电的目的。无线充电技术是一种特殊的供电方式，它不需要电源线，依靠电磁波传播，然后将电磁波能量转化为电能，最终实现无线充电。

简介

新型的电子产品尤其是便携式电子产品如数码相机、手机、平板电脑等在人们的工作和生活中得到越来越多的使用，与之相配套的充电器也沿用传统的有线充电器。而有线充电器的兼容性、通用性比较差，使用者携带、充电均不方便。同时，废弃后处理增加了对环境的污染。故为用户提供更加可靠、便捷、方便、及时的充电设备迫在眉睫。无线技术的发展，使得无线电功率的传输成为可能，无线充电器的研究与开发也将实现用户的要求。

未来的电池充电将会有三种主要形式：可视充电、智能充电和无线充电。2016 年国际无线充电联盟（WPC）的成员只有 138 家，但在今年 WPC 的技术企业已超过 200 家，如苹果、三星、HTC、华为、联想、小米、诺基亚、索尼等多家主流手机厂商。一般来说，一个 Qi 无线充电器有一个平面，被称为充电板，移动设备可以放在上面充电。Qi 指定三种不同的方法用于线圈校准，即：引导定位（磁引力）（如图 1（a）所示）、自由定位（动圈）（如图 1（b）所示）和自由定位（线圈阵列）（如图 1（c）所示），下面对这三种方法进行简单阐述。

第一，引导定位（磁引力）：即一个一对一的固定位置充电为放置的充电设备和达到精确校准作引导，这种校准方法的优势简单，但它在充电设备中需要一系列被磁铁吸引的材料，因此，涡流相关的功率损耗（从而温度升高）将被引诱磁吸引子。第二，自由定位（具有可移动的初级线圈）：也是一对一能定位充电的设备充电，这种方法需要一个机械地可动的初级线圈，调谐其与充电设备的位置相耦合，然而，可动机械部件往往使系统可靠性降低，此外，对充电的多个设备，对初级线圈的马达控制是复杂且昂贵的。第三，自由定位（线圈阵列）：允许多个设备充电的同时不考虑他们的位置，与上面两种方法相比，这种校准方法是以更昂贵、更复杂的绕组结构和控制电子元素为代价，提供了更多的用户友好性。

研究现状

无线充电打破了电能传输只能依靠导线直接接触式传输的方式，属于非接触式传输，能够避免接触式电能传输可能带来的接触火花、滑动磨损、爆炸电击等问题。无线电能传输方式主要分三种：电磁感应式、电磁谐振式和电磁辐射式。电磁感应式是目前最常用的无线电能传输方式，其技术已经量产，在生产成本上低于其他技术，并且通过安全与商场验证。目前，有三大主流联盟致力于无线充电技术的开发及标准制定，这三大联盟是 Alliance for Wireless Power（A4WP），Power Matters Alliance（PAM）及 Wireless Power Consortium（WPC）。Qi 标准为 WPC 推出的“无线充电”标准，采用了目前最主流的电磁感应式充电技术。Qi 标准主要针对便携式电子产品如照相机、视频和音乐播放器、玩具、个人护理及手机等。目前，小功率无线充电器的研究设计主要针对手机端无线充电，采用的都是基于 TI 公司的 BQ500211 专用芯片，在一些小功率终端也都采用的是专用集成芯片，使用专用集成芯片在初期开发上能节省开发时间，但从长远上考虑不利于成本的降低及后期的扩展升级。

无线充电技术虽然得到了一定的发展，但在发展过程中仍旧存在一些棘手的技术问题。第一，充电效能不高。一旦距离稍微远了一点充电的效率就会急剧降低，需要浪费大量的时间和资源才能完成充电，故而使用意义不大。第二，充电过程中的安全问题。大功率的无线充电设备会产生大量的电磁辐射，对身体健康造成一定的不良影响，同时也会对飞机、通信等产生干扰影响。第三，实用性方面。目前的无线充电技术还是只能需要固定在某个定点的位置才能实现，这并不方便故而实用性不高。第四，价格昂贵，由于无线充电技术目前还只是处于初步研发应用阶段，研究的成本较高，所以其研发的产品价格也相对高昂。

工作方式

电磁感应

这是最常见的无线充电器的工作方式，它利用电磁感应的原理，通过初级和次级线圈之间的电磁感应来产生电流，从而实现能量在空间范围内的传递；这种无线充电器的实现方式得到了无线充电联盟的推广。

无线电波

无线电波是现阶段无线充电器发展比较成熟的一种无线充电方式，它的工作原理是利用微型高效接收的电路来捕捉空间中的无线电波，然后将电磁能转化为稳定的电能。目前已经有公司宣称可以实现对几米以外小于蜂窝电话的电子设备进行无线充电。

电磁共振

这是一种还处于研发阶段的无线充电技术，此项技术主要由美国麻省理工学院物理教授所带领的团队进行研究，英特尔公司的工程师以该项技术作为基础，实现了在距离电源约 1 米左右的地方点亮了一个 60 瓦的灯泡，而且具有 75%的传输效率。英特尔的工程师表示下一个目标将是利用这种无线充电技术，对经过改装的笔记本电脑进行充电。不过要想实现这一目标，还需要解决好电磁场对电脑中其它元件的干扰和影响。

使用标准

为了使不同品牌的产品能够共用同一个充电器，提高无线充电器的通用性，全球首个推动无线充电技术的标准化组织——无线充电联盟（Wireless Power Consortium，以下简称“联盟”）推出的“无线充电”标准，无线充电联盟（WPC）标准下，无线传输的功耗仅为 0~5W。达到这一标准范围的系统在 2 个平面线圈之间使用电感耦合将电力从电力发送器传输给电力接收器。原副线圈之间的距离一般为 5mm，输出电压调节由一个全局数字控制环路负责，这时电力接收器会与电力发送器通信，并产生功耗。该通信是一种通过反向散射调制从电力接收器到电力发送器的单向通信。在反向散射调制中，电力接收器调整负载，从而改变电力发送器的电流消耗。对这些电流变化进行监控，并解调成 2 个设备协同工作所需的信息。通信协议包括模拟、数字声脉冲（ping）、身份识别、配置和电力传输。

电力接收器放置在电力发送器上时出现的典型启动顺序如下：

（1）来自电力发送器的模拟 ping 检测到对象的存在。

（2）来自电力发送器的数字 ping 为模拟 ping 的加长版，并让电力接收器有时间回复一个信号强度包。若该信号强度包有效，则电力发送器会让线圈保持通电并进行下一步骤。

（3）身份识别和配置阶段，电力接收器会发送一些数据包，对其进行身份识别，并向电力发送器提供配置和设置信息。

（4）在电力传输阶段，电力接收器向电力发送器发送控制误差包，以增加或减少电力。正常运行期间，每隔约 250ms 发送控制误差包，而在大信号变化期间每隔 32ms 发送一次。另外，在正常运行期间，电力发送器每隔 5s 发送一次电力包。

（5）为了终止电力传输，电力接收器发送一条“终止充电”消息或者 1.25s 内不进行通信，使电力发送器进入低功耗状态。在 Qi 标准下，手机、相机、电脑等产品都可以用 Qi 无线充电器充电，大规模的无线充电将成为可能。

部署策略

现有的文献解决了四种不同场景下的无线充电器部署策略问题：

（1）点配置处理静态充电器的部署来支持静态设备具有无线能量，如 Chiu 等最小化充电器数目，通过理论分析与数值仿真方法利用两种集中式贪婪算法解决了网络充电覆盖的需求；

（2）路径配置的目标是在移动设备的旅行路径中部署静态充电器对移动设备进行充电（如用于人类可穿戴或可植入的传感器），如 Liao 等最大化生存速率，通过理论分析与系统级仿真利用一种集中启发式贪婪算法解决了充电器数目的限制；

（3）多跳配置决定在静态网络中放置静态充电器的位置，其中设备也能有无线能量传输功能并能彼此分享能量，如 Rault 等最小化充电器的数目，通过数值仿真方法利用基于混合 ILP 的集中式方案解决了网络覆盖需求和为能量传输路数的最大化限制；

（4）地标配置涉及两个步骤：为移动充电器选择地标轮流访问和聚类地标作为群体来部署移动充电器。地标的位置是停放的充电器在邻近为多个静态设备提供并发的充电，如 Erol-Kantarci 等最小化了地标配置和最大化了传输到优先级高的节点的能量，均通过数值仿真方法利用基于 ILP 的集中式方案分别解决了全部能量补充的需要与充电器的容量受限的问题，以及最大化地标的数目，传输范围受限和优先级高的节点的功率需求和充电器的容量受限的问题。