一文理解无线充电的原理

一路上

一、前言

无线充电就是不需要像传统充电器一样经过线缆传输电到设备里，只需要将设备和无线充电基座进行接触，就能进行充电。我们常见的用于给手机或者手表之类移动设备充电的基座这一类无线充电通常是近距离接触充电，在其他领域的无线充电，距离是可以更大的。

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，主要讲述无线充电历史和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）。

二、无线充电历史

其实无线充电技术已经存在了100多年了，但是直到被苹果公司运用在iPhone8只有的机型上，这项技术真正进入大众眼中，也开始迅速普及。

尼古拉·特斯拉

早在1894年，尼古拉·特斯拉（这位兄弟非常牛，特斯拉汽车公司的命名也是为了纪念他）就展示了磁共振耦合（Magnetic Resonant Coupling），就是两个电路之间产生磁场来通过空气传输电

电生磁&磁生电

直到1978年，美国发明家约翰·乔治·博格尔开始尝试给电动汽车进行无线充电。在那之后又有无数尝试和发展，我们就看几个：

2009年1月，WiPower公司制定磁共振标准“A4WP”，支持高达50W的功率传输，距离可达5厘米，功率传输频率为6.78 MHz。
2010年7月，无线电力联盟（WPC）制定磁感应标准“Qi”。制定了5W或更小的移动终端的标准。
2012年1月，IEEE发布根据IEEE标准协会（IEEE-SA）的PMA磁感应标准，行业组成电力事务联盟（PMA）。该标准与Qi相似，主要建置一套安全，节能的感应电源标准，并进行智能电源管理。
2015年9月，A4WP与PMA无线充电组织合并成AirFuel Alliance，推动统一无线充电标准。

AirFuel Alliance (AFA)

Wireless Power Consortium (WPC)

直到现在，无线充电的标准只剩下两个：

Wireless Power Consortium (WPC) 的 Qi标准
AirFuel Alliance (AFA) 的 AirFuel Resonant（A4WP标准）和 AirFuel Inductive（PMA标准）

三、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。

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。

四、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。

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。

五、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。

六、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。

总结

目前支持无线充电的产品非常多了，包括电动牙刷、手机、手表、汽车等等，可以预见未来会有更多的设备支持无线充电，并且无线充电也会发展，不管最后是电磁式还是共振式，传输距离范围只会越来越大，传输效率也会越来越高。