陳云華 李鵬忠 盧潤(rùn)達(dá)

（威凱檢測(cè)技術(shù)有限公司 廣州 510663）

1 無(wú)線充電技術(shù)概況

無(wú)線充電技術(shù)是指無(wú)線充電器通過(guò)非物理接觸的方式將電能傳輸給可充電設(shè)備的電能傳輸技術(shù)。該技術(shù)具有無(wú)布線、可靠性高、維修方便等優(yōu)勢(shì)，當(dāng)前已越來(lái)越受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的重視。根據(jù)最近的研究報(bào)告表明，預(yù)計(jì)到2022年，無(wú)線充電技術(shù)的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到112.7億美元[1]。如圖1所示，該技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用于生活和工業(yè)當(dāng)中，如應(yīng)用在RFID射頻識(shí)別技術(shù)、移動(dòng)電話無(wú)線充電裝置、無(wú)線充電樁車載系統(tǒng)等。

圖1 無(wú)線充電技術(shù)的應(yīng)用

2 無(wú)線充電技術(shù)原理

目前，無(wú)線充電的方式主要有電磁式、磁共振式、無(wú)線電波接收式等。電磁感應(yīng)是移動(dòng)終端無(wú)線充電設(shè)備常見(jiàn)的產(chǎn)生電能方式。它的發(fā)電原理是基于電磁感應(yīng)現(xiàn)象。當(dāng)電流通過(guò)線圈時(shí)，發(fā)射線圈和接收線圈構(gòu)成電磁禍合電感器。由于發(fā)射端交流電的不斷振蕩，從而產(chǎn)生磁場(chǎng)形成電壓，最終產(chǎn)生電流，以供移動(dòng)設(shè)備充電使用。

電動(dòng)勢(shì)與磁通量換算公式為：

式中e為閉合線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，為時(shí)間變化中的磁通量，N是閉合線圈的匝數(shù)。

閉合線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)：

上式中C為線圈，E為電場(chǎng)強(qiáng)度。

根據(jù)上述分析，通過(guò)電磁感應(yīng)接口電路出來(lái)的直流電，可以直接接入移動(dòng)終端充電電路的電流輸入端，經(jīng)過(guò)濾波穩(wěn)壓處理，生成穩(wěn)定的直流電，其通過(guò)充電控制器對(duì)移動(dòng)終端鋰電池充電[2]。圖2為移動(dòng)終端充電的系統(tǒng)總框圖。

圖2 移動(dòng)終端充電的系統(tǒng)總框圖

3 異物對(duì)移動(dòng)終端無(wú)線充電裝置的影響

3.1 異物的簡(jiǎn)介

在移動(dòng)終端進(jìn)行無(wú)線充電的過(guò)程中，可能會(huì)有各種異物（如紙屑、各金屬等）混入無(wú)線傳輸充電區(qū)域。其中金屬異物的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率較高，混入無(wú)線傳輸充電區(qū)域中，發(fā)生渦流效應(yīng)，金屬表面溫度上升，導(dǎo)致周圍易燃物點(diǎn)燃而引起火災(zāi)，必然造成危害最大，從而影響移動(dòng)終端無(wú)線充電裝置的充電效率和安全性。

在高頻電磁場(chǎng)作用下，金屬異物混入移動(dòng)終端無(wú)線充電能量傳輸區(qū)域時(shí)會(huì)產(chǎn)生一系列電磁現(xiàn)象。根據(jù)金屬特性分析，金屬導(dǎo)電性能與電磁性能可以參考以下三個(gè)特性，磁導(dǎo)率μ、電導(dǎo)率γ和反介電常數(shù)ε。其中金屬的電導(dǎo)率γ體現(xiàn)其導(dǎo)電性，磁導(dǎo)率μ反應(yīng)其導(dǎo)磁性，介電常數(shù)ε反應(yīng)其極化性。根據(jù)物理學(xué)公式，磁導(dǎo)率μ和介電常數(shù)ε有式（3）關(guān)系，式中c為真空中的光速[3]：

根據(jù)金屬的磁導(dǎo)率μ特性不同，可把金屬材料視為以下兩類。第一類是當(dāng)金屬磁導(dǎo)率μ接近1，電導(dǎo)率γ相對(duì)較大時(shí)，為非鐵磁性金屬，此時(shí)該金屬異物在移動(dòng)終端無(wú)線充電能量傳輸區(qū)域主要發(fā)生渦流效應(yīng)，磁效應(yīng)可忽略不計(jì)；第二類是當(dāng)金屬的磁導(dǎo)率μ和電導(dǎo)率γ都很大，為鐵磁性金屬，此時(shí)該金屬異物在移動(dòng)終端無(wú)線充電能量傳輸區(qū)域不僅發(fā)生渦流效應(yīng)又產(chǎn)生磁效應(yīng)。

在室溫下，鐵磁性金屬主要有鐵，鈷，鎳和釓等有四種元素構(gòu)成的金屬材料具有良好導(dǎo)磁性。在沒(méi)有外加磁場(chǎng)的情況下，鐵磁性金屬中內(nèi)部各分子電流所產(chǎn)生的磁矩，可視為零磁矩，此時(shí)是非磁性的。但是，當(dāng)置于磁場(chǎng)中時(shí)，鐵磁性金屬的內(nèi)部分子會(huì)被外部磁場(chǎng)進(jìn)行磁化，此時(shí)是磁性的。特別是對(duì)于一些鐵磁性材料，即使磁化后去除外部磁場(chǎng)，材料內(nèi)部仍然有大量的剩磁。非鐵磁性金屬一般為有色金屬且不能被磁化，如銅、鋁、鎂、鋅等元素構(gòu)成的金屬材料。

3.2 置于移動(dòng)終端無(wú)線充電裝置的金屬異物溫升

在生活中，電磁加熱金屬的應(yīng)用范圍較大，交變流電通過(guò)導(dǎo)體線圈會(huì)產(chǎn)生方向變化的交變磁場(chǎng)，這種現(xiàn)象被稱為電磁感應(yīng)。此時(shí)導(dǎo)體處于交變磁場(chǎng)，內(nèi)部載流子在交變磁場(chǎng)作用下進(jìn)行有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生渦流，渦流的效果使得金屬的溫度迅速上升，實(shí)現(xiàn)了加熱功能，這就是渦流效應(yīng)[4]。渦流效應(yīng)在現(xiàn)實(shí)生活中得到了廣泛的應(yīng)用，比如，電磁爐的加熱方式就是因?yàn)榫€圈在控制電路的作用下產(chǎn)生中頻的交變磁場(chǎng)，通過(guò)磁導(dǎo)(鐵)鍋產(chǎn)生大量的強(qiáng)渦流，從而獲得巨大的熱量，然后用來(lái)加熱食物。

金屬的渦流效應(yīng)在生活中帶給人們不少便利，如電磁爐，金屬探測(cè)儀等等，但在另一方面，金屬的渦流效應(yīng)在某些在環(huán)境中會(huì)給生活帶來(lái)一定危害。將一片金屬片置于無(wú)線充電裝置傳輸區(qū)中，金屬片表面溫度急劇上升，對(duì)安全充電、效率造成影響。在實(shí)驗(yàn)中，觀測(cè)放置在移動(dòng)終端無(wú)線充電裝置傳輸區(qū)域的鐵片表面溫升情況，使用MX100溫升圖表記錄儀表面記錄記錄金屬表面的溫度變化情況。本實(shí)驗(yàn)所用平臺(tái)為應(yīng)用于網(wǎng)易移動(dòng)終端無(wú)線充電設(shè)備。將邊長(zhǎng)20 mm、厚度1 mm方形鐵片放置在無(wú)線電能發(fā)射線圈表面，記錄不同時(shí)刻金屬表面溫度，繪制溫度變化曲線如圖3所示。

由圖3得出，放置在輸入功率為5 W的移動(dòng)終端無(wú)線充電裝置傳輸區(qū)域中，金屬片表面溫度在半小時(shí)內(nèi)急劇上升至80.2℃。從而得知，若在輸入功率幾百瓦，甚至幾千瓦無(wú)線充電設(shè)備中放置一塊金屬片，其金屬表面溫度上升將會(huì)更加迅速及劇烈。此時(shí)試想一下金屬板附近如有易燃物質(zhì)材料（紙屑、樹(shù)枝落葉等），則極易引起火災(zāi)事故，對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成極大的安全隱患。

圖3 金屬片表面溫度

4 異物檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中采用不同直徑、材質(zhì)和厚度的異物伴隨電子負(fù)載進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別進(jìn)行充電過(guò)程中的異物溫度及無(wú)線充電裝置參數(shù)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。分別將邊長(zhǎng)20 mm、厚度0.5 mm方形鐵片，邊長(zhǎng)20 mm、厚度1.5 mm方形鐵片，邊長(zhǎng)20 mm、厚度1 mm方形鐵片，邊長(zhǎng)30 mm、厚度1 mm方形鐵片，邊長(zhǎng)10 mm、厚度1 mm方形鐵片，邊長(zhǎng)20 mm、厚度1 mm方形銅片、邊長(zhǎng)20 mm、厚度1 mm方形鋁片和邊長(zhǎng)20 mm、厚度1 mm方形白紙與負(fù)載放置在移動(dòng)終端無(wú)線充電裝置傳輸區(qū)域表面，記錄不同時(shí)刻金屬表面溫度，詳細(xì)參數(shù)數(shù)值見(jiàn)表1和繪制溫度變化曲線如圖4～圖12所示。

由圖4～圖12和表1中記錄溫升曲線和參數(shù)可以看出，金屬鋁片、銅片和紙片放置在移動(dòng)終端無(wú)線充電裝置能量傳輸區(qū)的溫升相對(duì)較低，根據(jù)GB 4943.1-2011標(biāo)準(zhǔn)條款4.5要求[5]，會(huì)被接觸到的金屬表面溫度不高于70 ℃的對(duì)使用人員的危害較小。金屬銅片、鋁片和鐵片的溫度差異主要是由于金屬之間特性有差異，因?yàn)殍F片是鐵磁性金屬，其磁導(dǎo)率μ和電導(dǎo)率γ都相對(duì)銅片和鋁片較高，從而其在線圈磁場(chǎng)中能量轉(zhuǎn)化率較高，導(dǎo)致在短時(shí)間內(nèi)積累了大量的熱量，使金屬表面溫度迅速上升，并且鐵片的面積和厚度越大，其金屬表面溫度則越高。對(duì)于銅片和鋁片，為非鐵磁性金屬，其熱效率低，金屬表面溫度造成的危害相對(duì)較??；另外由于金屬的渦流效應(yīng)，部分電能消耗在金屬上，導(dǎo)致無(wú)線電能傳輸功率和效率受到一定影響。這也證明異物對(duì)無(wú)線充電裝置存在一定安全隱患。

圖4 溫度變化曲線（正常工作）

圖5 溫度變化曲線（邊長(zhǎng)20 mm、厚度0.5 mm方形鐵片）

圖6 溫度變化曲線（邊長(zhǎng)20 mm、厚度1.5 mm方形鐵片）

圖7 溫度變化曲線（邊長(zhǎng)20 mm、厚度1 mm方形鐵片）

圖8 溫度變化曲線（邊長(zhǎng)30 mm、厚度1 mm方形鐵片）

圖9 溫度變化曲線（邊長(zhǎng)10 mm、厚度1 mm方形鐵片）

圖10 溫度變化曲線（邊長(zhǎng)20 mm、厚度1 mm方形銅片）

圖11 溫度變化曲線（邊長(zhǎng)20 mm、厚度1 mm方形鋁片）

圖12 溫度變化曲線（邊長(zhǎng)20 mm、厚度1 mm方形白紙）

表1 無(wú)線充電裝置及異物參數(shù)

5 總結(jié)與展望

無(wú)線充電技術(shù)是目前電子設(shè)備的創(chuàng)新發(fā)展方向，盡管現(xiàn)在技術(shù)尚未成熟，且距離問(wèn)題是無(wú)線充電技術(shù)不得不面對(duì)一大難題，但這項(xiàng)技術(shù)對(duì)我們的生活也有很大的改變。本文講述了移動(dòng)終端無(wú)線充電裝置在充電時(shí)，當(dāng)混入各種異物時(shí)，對(duì)移動(dòng)終端無(wú)線充電裝置的安全使用和性能是否受到一定的影響，大部分外來(lái)因素都會(huì)對(duì)無(wú)線充電產(chǎn)生一定程度的影響，如充電效率、溫度過(guò)高等。其中，金屬材料的異物尤為嚴(yán)重。由于金屬的渦流效應(yīng)，它的表面溫度會(huì)急劇上升，所以當(dāng)遇到環(huán)境周圍存放較多易燃材料時(shí)，從而引起火災(zāi)，給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)很大的安全隱患。

雖然本文就金屬等異物對(duì)無(wú)線充電裝置在充電時(shí)現(xiàn)象進(jìn)行檢測(cè)及分析，但充電實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可能由于材料的材質(zhì)密度、質(zhì)量等因素影響，對(duì)本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性造成影響，本文對(duì)僅對(duì)常規(guī)的移動(dòng)終端無(wú)線充電裝置進(jìn)行評(píng)測(cè)，未考慮生活中各種復(fù)雜情況的發(fā)生，后續(xù)仍需研究與完善。