移动终端无线充电装置的异物充电性能检测技术研究

陈云华 李鹏忠 卢润达

（威凯检测技术有限公司 广州 510663）

1 无线充电技术概况

无线充电技术是指无线充电器通过非物理接触的方式将电能传输给可充电设备的电能传输技术。该技术具有无布线、可靠性高、维修方便等优势，当前已越来越受到学术界和工业界的重视。根据最近的研究报告表明，预计到2022年，无线充电技术的市场规模将达到112.7亿美元[1]。如图1所示，该技术已经逐渐应用于生活和工业当中，如应用在RFID射频识别技术、移动电话无线充电装置、无线充电桩车载系统等。

图1 无线充电技术的应用

2 无线充电技术原理

目前，无线充电的方式主要有电磁式、磁共振式、无线电波接收式等。电磁感应是移动终端无线充电设备常见的产生电能方式。它的发电原理是基于电磁感应现象。当电流通过线圈时，发射线圈和接收线圈构成电磁祸合电感器。由于发射端交流电的不断振荡，从而产生磁场形成电压，最终产生电流，以供移动设备充电使用。

电动势与磁通量换算公式为：

式中e为闭合线圈中的感应电动势，为时间变化中的磁通量，N是闭合线圈的匝数。

闭合线圈中产生的感应电场：

上式中C为线圈，E为电场强度。

根据上述分析，通过电磁感应接口电路出来的直流电，可以直接接入移动终端充电电路的电流输入端，经过滤波稳压处理，生成稳定的直流电，其通过充电控制器对移动终端锂电池充电[2]。图2为移动终端充电的系统总框图。

图2 移动终端充电的系统总框图

3 异物对移动终端无线充电装置的影响

3.1 异物的简介

在移动终端进行无线充电的过程中，可能会有各种异物（如纸屑、各金属等）混入无线传输充电区域。其中金属异物的磁导率和电导率较高，混入无线传输充电区域中，发生涡流效应，金属表面温度上升，导致周围易燃物点燃而引起火灾，必然造成危害最大，从而影响移动终端无线充电装置的充电效率和安全性。

在高频电磁场作用下，金属异物混入移动终端无线充电能量传输区域时会产生一系列电磁现象。根据金属特性分析，金属导电性能与电磁性能可以参考以下三个特性，磁导率µ、电导率γ和反介电常数ε。其中金属的电导率γ体现其导电性，磁导率µ反应其导磁性，介电常数ε反应其极化性。根据物理学公式，磁导率µ和介电常数ε有式（3）关系，式中c为真空中的光速[3]：

根据金属的磁导率µ特性不同，可把金属材料视为以下两类。第一类是当金属磁导率µ接近1，电导率γ相对较大时，为非铁磁性金属，此时该金属异物在移动终端无线充电能量传输区域主要发生涡流效应，磁效应可忽略不计；第二类是当金属的磁导率µ和电导率γ都很大，为铁磁性金属，此时该金属异物在移动终端无线充电能量传输区域不仅发生涡流效应又产生磁效应。

在室温下，铁磁性金属主要有铁，钴，镍和钆等有四种元素构成的金属材料具有良好导磁性。在没有外加磁场的情况下，铁磁性金属中内部各分子电流所产生的磁矩，可视为零磁矩，此时是非磁性的。但是，当置于磁场中时，铁磁性金属的内部分子会被外部磁场进行磁化，此时是磁性的。特别是对于一些铁磁性材料，即使磁化后去除外部磁场，材料内部仍然有大量的剩磁。非铁磁性金属一般为有色金属且不能被磁化，如铜、铝、镁、锌等元素构成的金属材料。

3.2 置于移动终端无线充电装置的金属异物温升

在生活中，电磁加热金属的应用范围较大，交变流电通过导体线圈会产生方向变化的交变磁场，这种现象被称为电磁感应。此时导体处于交变磁场，内部载流子在交变磁场作用下进行有规律的运动，从而产生涡流，涡流的效果使得金属的温度迅速上升，实现了加热功能，这就是涡流效应[4]。涡流效应在现实生活中得到了广泛的应用，比如，电磁炉的加热方式就是因为线圈在控制电路的作用下产生中频的交变磁场，通过磁导(铁)锅产生大量的强涡流，从而获得巨大的热量，然后用来加热食物。

金属的涡流效应在生活中带给人们不少便利，如电磁炉，金属探测仪等等，但在另一方面，金属的涡流效应在某些在环境中会给生活带来一定危害。将一片金属片置于无线充电装置传输区中，金属片表面温度急剧上升，对安全充电、效率造成影响。在实验中，观测放置在移动终端无线充电装置传输区域的铁片表面温升情况，使用MX100温升图表记录仪表面记录记录金属表面的温度变化情况。本实验所用平台为应用于网易移动终端无线充电设备。将边长20 mm、厚度1 mm方形铁片放置在无线电能发射线圈表面，记录不同时刻金属表面温度，绘制温度变化曲线如图3所示。

由图3得出，放置在输入功率为5 W的移动终端无线充电装置传输区域中，金属片表面温度在半小时内急剧上升至80.2℃。从而得知，若在输入功率几百瓦，甚至几千瓦无线充电设备中放置一块金属片，其金属表面温度上升将会更加迅速及剧烈。此时试想一下金属板附近如有易燃物质材料（纸屑、树枝落叶等），则极易引起火灾事故，对人民的生命财产安全造成极大的安全隐患。

图3 金属片表面温度

4 异物检测实验

实验中采用不同直径、材质和厚度的异物伴随电子负载进行实验，分别进行充电过程中的异物温度及无线充电装置参数检测实验。分别将边长20 mm、厚度0.5 mm方形铁片，边长20 mm、厚度1.5 mm方形铁片，边长20 mm、厚度1 mm方形铁片，边长30 mm、厚度1 mm方形铁片，边长10 mm、厚度1 mm方形铁片，边长20 mm、厚度1 mm方形铜片、边长20 mm、厚度1 mm方形铝片和边长20 mm、厚度1 mm方形白纸与负载放置在移动终端无线充电装置传输区域表面，记录不同时刻金属表面温度，详细参数数值见表1和绘制温度变化曲线如图4～图12所示。

由图4～图12和表1中记录温升曲线和参数可以看出，金属铝片、铜片和纸片放置在移动终端无线充电装置能量传输区的温升相对较低，根据GB 4943.1-2011标准条款4.5要求[5]，会被接触到的金属表面温度不高于70 ℃的对使用人员的危害较小。金属铜片、铝片和铁片的温度差异主要是由于金属之间特性有差异，因为铁片是铁磁性金属，其磁导率µ和电导率γ都相对铜片和铝片较高，从而其在线圈磁场中能量转化率较高，导致在短时间内积累了大量的热量，使金属表面温度迅速上升，并且铁片的面积和厚度越大，其金属表面温度则越高。对于铜片和铝片，为非铁磁性金属，其热效率低，金属表面温度造成的危害相对较小；另外由于金属的涡流效应，部分电能消耗在金属上，导致无线电能传输功率和效率受到一定影响。这也证明异物对无线充电装置存在一定安全隐患。

图4 温度变化曲线（正常工作）

图5 温度变化曲线（边长20 mm、厚度0.5 mm方形铁片）

图6 温度变化曲线（边长20 mm、厚度1.5 mm方形铁片）

图7 温度变化曲线（边长20 mm、厚度1 mm方形铁片）

图8 温度变化曲线（边长30 mm、厚度1 mm方形铁片）

图9 温度变化曲线（边长10 mm、厚度1 mm方形铁片）

图10 温度变化曲线（边长20 mm、厚度1 mm方形铜片）

图11 温度变化曲线（边长20 mm、厚度1 mm方形铝片）

图12 温度变化曲线（边长20 mm、厚度1 mm方形白纸）

表1 无线充电装置及异物参数

5 总结与展望

无线充电技术是目前电子设备的创新发展方向，尽管现在技术尚未成熟，且距离问题是无线充电技术不得不面对一大难题，但这项技术对我们的生活也有很大的改变。本文讲述了移动终端无线充电装置在充电时，当混入各种异物时，对移动终端无线充电装置的安全使用和性能是否受到一定的影响，大部分外来因素都会对无线充电产生一定程度的影响，如充电效率、温度过高等。其中，金属材料的异物尤为严重。由于金属的涡流效应，它的表面温度会急剧上升，所以当遇到环境周围存放较多易燃材料时，从而引起火灾，给人们的生命财产安全带来很大的安全隐患。

虽然本文就金属等异物对无线充电装置在充电时现象进行检测及分析，但充电实验过程中，可能由于材料的材质密度、质量等因素影响，对本次实验数据的可靠性造成影响，本文对仅对常规的移动终端无线充电装置进行评测，未考虑生活中各种复杂情况的发生，后续仍需研究与完善。