【技術(shù)科普】無線充電技術(shù)詳解

這篇文章主要是面對所有無線充電行業(yè)的從業(yè)人員，而不單純是技術(shù)研發(fā)人員，只要你對初高中物理有一些了解，相信基本能夠看懂。后續(xù)再陸續(xù)推出一些針對不同層次和不同階段的同行朋友的經(jīng)典技術(shù)文章，希望對無線充電行業(yè)有一些積極的幫助。

　　文章主要解決下面幾個問題：

　　1>無線充電是怎么充電的？

　　2>無線充電為什么可以無線充電？

　　3>無線充電是基于什么原理？

　　4>無線充電器的構(gòu)成是什么樣的？

　　5>無線充電有什么好處？

　　第一個問題：無線充電器是怎么充電的？

　　很多人其實對無線充電是怎么充電并沒有一個概念，很多人也希望它像WiFi一樣，只要有WiFi的地方，連接上就能用。

　　理想的情況簡單認為就是沒有線，到處都可以充電。無論是家里、辦公室、酒店、咖啡廳、地鐵、機場都能隨時連接無線充電網(wǎng)給手機充電。估計幾年以后無線充電將覆蓋每個領(lǐng)域，無處不在。

　　但現(xiàn)實的情況是無線充電還達不到上面理想的狀態(tài)，不僅僅是基礎(chǔ)設(shè)施的問題，而是技術(shù)的問題，我們現(xiàn)在的無線充電，充電器和手機的距離一般都在5mm以內(nèi)（現(xiàn)階段的Qi標(biāo)準(zhǔn)的無線充電情況），未來的磁共振標(biāo)準(zhǔn)可以做到125px以內(nèi)（A4WP標(biāo)準(zhǔn)的無線充電情況）。

　　現(xiàn)在階段的Qi標(biāo)準(zhǔn)的無線充電器需要緊貼且對位好充電位置，距離充電器位置越遠充電效率越低，具體10mm以上基本上不能充電，上下左右移動范圍一般一般只有10mm左右，且偏離中心位置遠大，充電效率越低。

　　無線充電的充電效率一般在70%左右，好的可以做到75%左右，差一點的只有65%左右。

　　隨著技術(shù)的進步，無線充電的距離和充電效率都將會有很大改善。

　　第二個問題：無線充電器為什么可以無線充電？

　　無線充電是發(fā)射端（充電器）和接收端（手機等）各有一個線圈，發(fā)射端把電能通過發(fā)射線圈轉(zhuǎn)換為磁場，發(fā)射線圈的磁場穿過接收端線圈，根據(jù)基礎(chǔ)物理的法拉第電磁感應(yīng)定律，在接收線圈中將產(chǎn)生電場，最后通過接收端輸出電能給手機充電。

　　這是最基本的電場轉(zhuǎn)換為磁場，磁場再轉(zhuǎn)換為電場的電磁場原理。

　　發(fā)射端和接收端如下圖所示：

　　線圈也是無線充電的重點模塊，且接收和發(fā)射的線圈會有一些差異，Qi標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)射和接收線圈如下圖：

　　第三個問題：無線充電是基于什么原理？

　　業(yè)內(nèi)有主要兩個技術(shù)流派，一個是磁感應(yīng)，一個是磁共振。

　　業(yè)內(nèi)主要有三大充電標(biāo)準(zhǔn)，分別是WPC公司的Qi標(biāo)準(zhǔn)，PMA公司的Power2.0標(biāo)準(zhǔn)和A4WP公司的Rezence標(biāo)準(zhǔn)，其中WPC和PMA暫時是基于磁感應(yīng)技術(shù)，A4WP是基于磁共振技術(shù)。

　　磁感應(yīng)技術(shù)

　　基本原理是基于LC諧振原理和磁耦合原理。

　　發(fā)射線圈的固有諧振頻率為：

　　接收線圈的固有諧振頻率為：

　　發(fā)射端線圈的信號頻率工作在fp0附近，接收端線圈信號頻率工作在fs0附近，且當(dāng)兩個線圈靠的比較近的時候，兩個線圈的磁場耦合會比較好，耦合系數(shù)M會比較高，這樣充電效率就會比較高。Qi標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定發(fā)射和接收之間的能量傳輸?shù)男盘栴l率為110K~205KHz。

　　且發(fā)射器和接收器之間的通信的傳輸也是通過兩個線圈之間的耦合實現(xiàn)的，接收端把通信信號調(diào)制在功率信號上，發(fā)射器通過解調(diào)把通信信號解調(diào)出來，雙方通過約定好的協(xié)議實現(xiàn)通信的傳輸。Qi規(guī)定的通信信號頻率為2KHz。

　　磁共振技術(shù)

　　磁共振技術(shù)和磁感應(yīng)技術(shù)在原理上有類似的地方，也是基于LC諧振原理和磁場耦合原理，只是磁共振往前再走了一步，就是發(fā)射端和接收端的功率信號的頻率要求會很高，要求接發(fā)射和接收端必須都工作在諧振點，且頻率相同，因此稱為共振。我們知道，在諧振點耦合時，整個效率是最好的，能量的浪費是最小的。

　　磁共振情況，能量的傳輸距離稍遠一點，但能量的傳輸頻率會高很多。

　　A4WP規(guī)定能量的傳輸頻率為6.78MHz，另外A4WP發(fā)送端和接收端的信號通信采用帶寬為2.4GHz的Smart Bluetooth通信協(xié)議。

　　關(guān)于磁感應(yīng)和磁共振技術(shù)的詳細內(nèi)容在后續(xù)的技術(shù)文章會有介紹

　　第四個問題：無線充電器的構(gòu)成是什么樣的？

　　無線充電器主要由三個部分構(gòu)成：外殼、主板和線圈。

　　主板是整個系統(tǒng)的核心模塊，一般包括主芯片，功率器件，其他電子器件等。

　　第五個問題：無線充電有什么好處？

　　無線充電相對于有線充電，有其獨特的優(yōu)點：

　　1> 美觀，便利，沒有線的纏繞，也不需要經(jīng)常帶充電線

　　2> 方便，兼容，不需要擔(dān)心充電接頭不兼容的問題，也不用擔(dān)心用的iPhone還是三星等手機

　　3> 安全、可靠，不存在充電過程中接打電話存在漏電而被高壓電擊的風(fēng)險

　　4> 提高了電池使用壽命，方便持續(xù)給電池補充能量而不存在電池過放的情況，提高了電池的循環(huán)壽命

　　說明：有些圖片源自于網(wǎng)絡(luò)，可能是一些公司的產(chǎn)品宣傳圖片，在此借用，謝謝！

　　無線充電存在的意義是為了給電池充電，如果對電池不懂，就不要談充電，更不要談無線充電，想了解無線充電，先了解電池，這里說的電池主要是指鋰電池。

　　這里只介紹電池的基礎(chǔ)知識，適合無線充電行業(yè)的所有從業(yè)人員。

　　太多的人對電池等的認識是有誤區(qū)的：

　　誤區(qū)一：電池是否需要激活，新電池是否需要反復(fù)充放3次，每次充12小時。

　　誤區(qū)二：電池盡量少充電，少使用壽命才長。

　　誤區(qū)三：電池充電充太久了會爆炸，充滿了就要拔掉電源。

　　誤區(qū)四：充電越快，電池越好。

　　誤區(qū)五：充電器充電電流越大，充電越快。

　　誤區(qū)六：無線充電沒有有線充電快。

　　我們先不討論這些誤區(qū)的原因在哪里，下面我們一起分析一下鋰電池的特性后自然都清楚了具體原因。

　　全文分三大塊介紹：電池基礎(chǔ)、電池保護、電池充電

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　　鋰電池的組成

　　我們平時見的手機電池都是鋰電池，行業(yè)較電池PACK，鋰電池PACK主要由兩大塊構(gòu)成：電芯和保護板。

　　電芯主要由五塊構(gòu)成：正極材料、負極材料、電解液、隔膜和外殼。

　　保護板主要由保護芯片、MOS管、電阻電容和PCB板構(gòu)成。

　　鋰電池的分類

　　鋰電池按照形狀分為圓柱型電池和方形電池。圓柱型如一些移動電源和電動工具用的18650電池，方形電池如手機電池。

　　按電解液分為鋰離子電池和聚合物電池。鋰離子電池電解液是液態(tài)的，外殼是一般是硬的，一般為鋁殼或鋼殼，如三星的傳統(tǒng)機器都是鋰離子電池。聚合物電池電解液為固態(tài)，如蘋果手機的電池。

　　鋰電池的常用術(shù)語

　　1>電池容量

　　電池的容量又叫電池的電量，單位為Ah(安時)或mAh(毫安時)。容量為1Ah的電池理想情況，在充滿電的情況下用1A的電流持續(xù)放電可以放1個小時。

　　2>充/放電倍率

　　充/放電倍率表示以多大電流充/放電，一般以電池的標(biāo)稱容量的倍數(shù)來計算，一般稱為“多少C”。2500mAh的鋰電池，如果放電倍率為1C是指放電電流為2500mA，充電電流為0.2C是指充電電流為500mA。

　　3>標(biāo)稱電壓

　　鋰電池的標(biāo)稱電壓又稱為額定電壓，普通手機電池的標(biāo)稱電壓一般為3.7V，電池充滿時的電壓一般為4.2V左右，電池剛放完時的電壓一般為2.5V左右。

　　4>標(biāo)稱功率/標(biāo)稱能量

　　根據(jù)物理教材，P=U*I，W=U*I*t，功率的單位為W(瓦)，能量的單位為Wh(瓦時)。容量為1500mAh的電池，標(biāo)稱電壓為3.7V，標(biāo)稱功率為5.55W，標(biāo)稱能量為5.55Wh。

　　5>內(nèi)阻

　　電池可以等效為一個電壓源，帶有一定的內(nèi)阻的電壓源。對電池來說，內(nèi)阻越小越好，內(nèi)阻越小也越貴。

　　電池的內(nèi)阻的單位為Ω(歐姆)或mΩ(毫歐)。電池內(nèi)阻主要受電池的材料和制造工藝的影響。

　　6>循環(huán)壽命

　　電池的循環(huán)壽命一般指充滿和放光一次的循環(huán)，電池到了循環(huán)壽命后，電池老化很厲害，電池的容量將下降很多，循環(huán)壽命也是衡量電池的重要指標(biāo)。

　　IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電池的循環(huán)壽命為500次后保持為初始容量的60%，國標(biāo)規(guī)定循環(huán)300次后容量應(yīng)保持為初始容量的70%。

　　7>剩余電量（SoC）

　　電池的剩余容量指電池當(dāng)前的電量與總的可用電量的百分比，0%~100%，反映還有多少電量的情況。(SoC ： State of Charge)

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　　鋰電池為什么需要保護？

　　鋰電池由于其化學(xué)活性，結(jié)構(gòu)等原因需要有保護系統(tǒng)，如果沒有保護系統(tǒng)，可能對電池的使用壽命影響很大，嚴重的情況可能存在爆炸或燃燒的危險。沒有帶保護板的鋰電池是禁止使用的。

　　鋰電池要避免深充深放，這樣會嚴重影響電池壽命，如果經(jīng)常給電池補充電對電池的壽命有幫助。很多人要用到手機自動關(guān)機才開始給手機充電，這是嚴重不好的習(xí)慣，一個是電量低的時候RF發(fā)射功率大，輻射厲害，同時影響電池的使用壽命。

　　經(jīng)常使用無線充電的朋友，由于不撥打電話的時候，手機放在無線充電器上，無線充電器會及時的給手機補充電量，對電池的壽命很有幫助。　　因此電池最好的狀態(tài)是不要充太滿也不要放過量。

　　鋰電池保護系統(tǒng)如下圖：

　　鋰電池由于其特殊原因，需要至少以下保護措施：

　　1>過充保護

　　當(dāng)電池快充滿時，一般電池電壓達到4.2V左右，需切斷充電通路，防止電池過充。

　　2>過放保護

　　當(dāng)電池快放完時，一般電池電壓達到2.5V左右（不同廠家電壓會有一定差異），也需切斷放電通路，防止電池過放。

　　3>過溫保護

當(dāng)