无线充电工作原理分类
无线充电技术分为三类：电磁感应式、共振式和微波传输。

13.1.2.1电磁感应式
目前大多数产品的无线充电功能都采用电磁感应技术。

电磁感应技术主要
利用经典电磁理论和变压器理论，结合现代电力自控技术，实现电能无线传输。

感应式电能传输的基本原理如图13-6所示。

在初级线圈加入交流电流I s，产生
交变磁场强度H，经由空气介质耦合产生磁通密度Φ。

根据法拉第电磁感应定律，次级线圈因为磁通密度Φ变化而感应出电动势，感应电动势ε=dΦ/d t。

图13-6电磁感应基本理论
电磁感应技术分为感应耦合和容性耦合。

其中，感应耦合的传输形式如变
压器、电容等，基于铁磁芯的感应式电能传输方式在传统变压器和电机中得到
广泛的应用，但是由于磁场铁芯和电场媒质的限制，它们不适合向运动的物体
传输无线的隔离大气隙的能量。

如果工作频率足够高，磁场变化率将在原、副绕组之间引起很强的电磁感应，使得大气隙能量传输可行。

感应电能传输技术涉及的主要技术领域有电磁感应耦合技术、现代电力电
子能量变换技术、高频磁技术、谐振逆变技术、软开关技术以及现代控制理论；具体到一个实际系统，还涉及结构设计、通信与控制技术等。

感应电能传输的
基本原理框图如图13-7所示，直接利用工频交流电作为能量供应源，可采用两
相或三相工频电源，视实际的电源容量要求合理选择。

工频电源在经过整流电
路之后向逆变电路提供平稳的直流电流。

该直流电流经过逆变电路的高频逆变
之后，向松耦合感应装置的初级绕组提供高频交变电流。

松耦合感应装置作为
感应式电能传输的关键组件，其初级绕组中通过的高频电流产生感应电磁场，
并在次级绕组中产生电磁感应。

在次级绕组中得到的感应电动势再通过整流或
逆变后提供给直流或交流负载使用，完成非接触供电的整个能量传输过程。

图13-7电磁感应原理
另外，考虑存在多个能量接收绕组，各个绕组之间的互相影响成为关键。

当某个绕组负载的等效阻抗太小（极端情况为短路）或太大（极端情况为开路）时，反应阻抗均不正常，此时将导致其他绕组负载不能工作，必须在用电设备
端加上负载供电控制单元，以保证整个系统运行的稳定性和可靠性。

13.1.2.2共振式
共振式无线电能传输的理论依据是，如果两个振荡电路具有相同的频率，
在波长范围内，通过近场瞬时波耦合，感应器产生的驻波在远远小于损耗时间内，允许能量高效地从一个物体传到另一个物体。

由于共振波长远远大于振荡
器尺寸，所以不受附近物理的影响，而且由于磁场和生物体之间相互作用很弱，对生物体比较安全，适用于中距离传输，但是这种技术尚未达到实用化程度。

2006年10 月，美国麻省理工学院教授马林•索尔贾希克（Marin Solijacic）
提出了通过“磁场共振”技术实现无线电能传输的新理论，把磁场共振运用到电
能传递上。

他们利用铜制线圈作为电磁共振器，一组线圈附在传送电力方，另
一组在接收电力方。

当传送方送出某特定频率的电磁波后，经过电磁场扩散到
接收方。

他们成功地把一盏距离发射器2.13m的60W电灯点亮（如图13-8所示），相应的研究成果发表在2007 年的《Science》杂志上。

这个“隔空点灯泡”实验引起了欧美及全球各大媒体的极大关注，并进行了“Goodbye Wires”之类的
广泛报道，被认为是无线电能传输技术的里程碑。

他本人因为这一发明获得了
麦克阿瑟基金会2008 年的“天才奖”，其相应的技术被称为“WiTricity”。

图13-8Marin Solijacic 基于磁场共振式的无线供电实验
图13-9所示是共振式无线电能传输的系统模型。

A 是一个半径25cm的单
匝铜环，它是激励电路的一部分，输出频率为9.9MHz 的正弦波；S 和D 是谐
振线圈，B 是直接连接到负载（即研究团队中实验负载为灯泡）的单匝导线环。

K S、K、K D分别表示A和S、S和D、D和B之间的直接耦合。

调整线圈D 和
A之间的角度，保证其直接耦合等于零，线圈S 和D 同轴排列，线圈B和A 以及B 和S 的直接耦合忽略不计。

系统工作在“共振”状态下（指系统中两个线圈
S 和D 工作在相同频率共振状态）。

处于谐振状态下的谐振体之间的能量交换
可望达到最高的效率。

如果不考虑周围空间的结构，并且干涉损耗和散失在周
围环境中的损耗很低时，采用这种方法，中等距离的能量传输可以在接近全方
向的状态下实现并达到很高的效率。

图13-9共振式系统模型
13.1.2.3微波传输
基于微波辐射的无线电能传输技术（也称微波输电）将电能转化为微波能量；通过微波，自由空间中的定向辐射将能量传送到目标位置；再经过整流，转化为直流电能。

这是未来电能传输的大趋势。

通过微波辐射，可将太阳能转换成的电能进一步转换为微波集束能或激光能，并根据需要将束向控制在需要电能的地区，在当地再通过微波或激光接收装置将其进一步转换成电能，输入电网或直接满足不同用户的需要。

微波式电能传输技术以微波输能、控制及转换原理为基础，早已在军事、科学及通信卫星等领域得到广泛应用。

以美国为首的发达国家对微波输电的研究已经开展了四十多年，而在国内，这项决定未来能源走向的关键工作才刚刚起步。

微波辐射式无线电能传输具有非常广泛的用途，不仅可以民用，还可以用于军事。

作为太阳能发电站的传送方式，具有非常重要的研究意义。

利用微波辐射原理传输电能的系统组成如图13-10 所示，基本步骤如下所述。

图13-10微波辐射传输电能系统
①将直流电能转换成微波能量。

②经波束成型天线成型发射，经空间传输。

③在接收终端，接收微波能量，并将其转换成直流电。

微波输电时，微波系统工作频率的选择是一个综合考虑的过程，需要考虑的因素包括：发射和接收天线的尺寸要求，微波元器件的效率、成本，系统对现有通信系统的影响，大气传输时的空间衰减等。

微波通信使用的频率大部分在 2～20GHz范围内，所以对于不同的地形条件，其反射系数及电平损耗是不同的。

在接收端，微波输电接收单元的关键因素是接收整流天线。

这种天线包括天线和整流器的功能，能够实现能量收集、谐波抑制和整流。

微波输电的总效率等于直流到微波、微波传输以及接收整流三部分效率的总乘积。

至2008 年，直流转换微波能量装置的效率为70%～90%；发射天线的效率为70%～97%；空间传输的效率为5%～95%，取决于具体情况；接收转换
直流的效率为85%～92%。

尽管各部分在各自的相关实验中分别能达到最大效率，却不能在一个完整的系统中同时实现各自的最大值。

现已被实验证实的最大总效率为54% 。

如果能将各个部分的传输效率更好地匹配，通过改进接收整流天线的设计，尤其是采用特殊设计的二极管，提高二极管以及接收天线的效率等措施，总传输效率的理论最大值可达76% 。

13.1.2.4三种无线充电技术的比较
在介绍完三种无线充电技术后，对这三种无线充电技术做一个比较，如表13-1所示。

表13-1三种充电技术比较。