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创意大赛(论文)基于无线电力传输的手机即时充电系统摘 要随着社会的进步与发展，无论是“低头族”还是商务人士，智能手机越来越成为日常生活中不可或缺的电子设备和主要的移动通讯工具。由于智能手机集成了更多的通讯、学习和休闲娱乐功能，每天使用时间更长，而传统的手机锂电池续航能力有限，虽然可以使用移动电源作为手机伴侣，但是使用、携带极为不便。同时有些时候我们会忘记给手机充电，因此一旦手机电池电量耗尽手机就会抛锚，而且可能会错过一些重要的事件。经过多年研究，科学家们认为进行无线电力传输是可能的，他们提出了共振这个概念，他认为当物体间以相同频率共振时，就有可能有效实现无线能量传输。他们成功的利用电磁共振器，在两公尺外供应一个60瓦的灯泡所需要的电力，并为这种技术取名为无线电力。这项名为无线电力的技术是以“共振”为基础，而研究人员发现电磁效应在理论上也有同样的性质：先将能量囤积在发送端，而共振频率相同的接受端靠近时，这些能量就会透过共振效应，从而将电流传送到接收端，最终实现电力的无线传播。本文所阐述的手机即时充电系统就基于无线电力传输，通过改造智能手机的电池后盖，加装无线电力接收端，而在电源端加装无线电力发射端，通过共振原理即可通过无线电力传输实现手机的即时无线充电。关键词：手机电池 即时充电 无线电力 AbstractWith the progress and development of society, whether it is Mobile phone overuse or business people, smart phones increasingly become an integral part of daily life electronic equipment and major mobile communication tool. Because smart phones integrate more communication, learning and entertainment features, use every day longer, and the limited ability of the traditional mobile phone lithium battery life, although you can use the phone as a mobile power companion, but use very inconvenient to carry.Meanwhile Sometimes we forget to charge the phone, so once the phone battery runs the phone will drop anchor, and may miss some important events.After years of research, scientists believe wireless power transmission is possible, they proposed the concept of resonance, when he considers the object at the same time the resonance frequency, it is possible to achieve effective wireless energy transfer. Their success is the use of electromagnetic resonance, serving a 60-watt light bulb power required two meters away, and named for the wireless power for this technology. The technology, called Wireless electricity is resonance as the basis, but the researchers found that electromagnetic effects in theory have the same nature: first energy accumulation in the sending end, and the resonance frequency is close to the same time on the receiving end of these energy will be through the resonance effect, thereby the current sent to the receiver, and ultimately the radio propagation power.Mobile instant set forth herein charging system based on wireless power transmission, through the transformation of the smartphone battery cover, the installation of the wireless power receiving end, and in the installation of the wireless power supply terminal transmitter, the resonance principle to the wireless power transmission achieve instant wireless charging of mobile phones.Keyword: Mobile phone battery; Instant Charge; Wireless power目 录摘 要IAbstractII一、引言1（一） 作品背景及创意来源1（二） 国内外研究现状及分析1二、作品核心创意3（一） 创意产生过程3（二） 核心思路描述3三、创意可行性分析4（一） 共振原理4（二） 技术基础4（三） 电力发射端与接收端5（四） 预计技术难点6四、创意应用前景分析7（一） 应用场景7（二） 市场需求分析7（三） 市场推广模式7五、结论9六、参考文献10北京航空航天大学第二十五届“冯如杯”学生创意大赛参赛作品一、引言（一） 作品背景及创意来源据2013-2017年中国智能手机行业市场需求预测与投资战略规划分析报告估算，2012前三季度，全球智能手机用户总数已经突破了10亿大关。而2011前三季度的用户量只有约7亿户。据中国电子信息产业发展研究院预计，2013至2015年是我国智能手机换代高峰期。三年累计销售额将达到2万亿元，我国智能手机市场销量将继续保持高速增长。在智能手机如此普及的情况下，以及智能手机使用时间的日益增多，这对手机电池续航能力和传统的充电方式是一种考验。而目前已经可以利用共振来进行无线电力传输，若将这个技术用于手机的即时充电，即可解决目前手机电池续航能力差的问题。 图 1智能手机（二） 国内外研究现状及分析目前最先进的无线充电技术，又称作感应充电、非接触式感应充电，是利用近场感应，也就是电感耦合，由供电设备（充电器）将能量传送至用电的装置，该装置使用接收到的能量对电池充电，并同时供其本身运作之用。由于充电器与用电装置之间以电感耦合传送能量，两者之间不用电线连接，因此充电器及用电的装置都可以做到无导电接点外露。Qi是全球首个推动无线充电技术的标准化组织-无线充电联盟(WirelessPower Consortium,简称WPC)推出的“无线充电”标准，具备便捷性和通用性两大特征。首先，不同品牌的产品，只要有一个Qi的标识，都可以用Qi无线充电器充电。其次，它攻克了无线充电“通用性”的技术瓶颈，在不久的将来，手机、相机、电脑等产品都可以用Qi无线充电器充电，为无线充电的大规模应用提供可能。图 2 电磁感应无线充电图示这种无线充电方式虽然方便，不必连接电力线缆，设备可安放在充电板或支架上。操作简单比起插入电线更简单（对于残疾人士更加重要），且耐用无须频繁插拔设备，拥有更耐磨损和撕裂的设备插槽和附加线缆。但另一方面，无线充电的缺点也是显而易见的；磁感应充电的最大缺点就是效率偏低和不断增加的电阻热量，采用低频或老式驱动技术导致充电速度缓慢并在大多数可携式电子设备中产生废热，由于效率低，设备需要的充电时间更长，充电缓慢；而且成本昂贵，感应充电需要设备和充电器都具备驱动电子设备和线圈，增加了制造的复杂性和成本；同时当行动设备使用线缆连接充电时，可以随意移动该设备，并且可以在充电过程中使用设备，而采用当前的感应充电（如Qi标准）技术，行动设备必须固定在平板上，因此不能随意移动，充电时也不能轻松使用。二、作品核心创意（一） 创意产生过程在智能手机如此普及的情况下，以及智能手机使用时间的日益增多，这对手机电池续航能力和传统的充电方式是一种考验。目前最先进的无线充电技术，也存在着各种问题，而目前已经可以利用共振来进行无线电力传输，若将这个技术用于手机的即时充电，即可解决目前手机电池续航能力差的问题，真正推动无线技术的改革与发展。（二） 核心思路描述在智能手机的基础上，对手机电池后盖加以改造，加装电力接收端，同时对电源加装电力发射端，利用共振原理进行无线电力传输，即可实现手机电池的即时充电。对于不同的电子产品，电源接口能自动对应，需要充电时，发射器和接收芯片会同时自动开始工作，充满电时，两方就会自动关闭。三、创意可行性分析（一） 共振原理共振是物理学上的一个运用频率非常高的专业术语，是指一物理系统在特定频率下，比其他频率以更大的振幅做振动的情形；这些特定频率称之为共振频率。在共振频率下，很小的周期振动便可产生很大的振动，因为系统储存了动能。当阻力很小时，共振频率大约与系统自然频率或称固有频率相等，后者是自由振荡时的频率。图 3 共振现象（二） 技术基础据英国泰晤士报报道，麻省理工学院的研究团队在美国科学杂志的网站上发表了他们的研究成果。参与无线电力传输实验的科学家，他们利用左右两边相隔两米的线圈成功实现了无线电力传输，并点亮了一个功率60瓦的电灯泡。这项被他们称为“无线电力”的技术经过多次试验终于成功，目前这项技术的最远输电距离还只能达到2.7米，但研究者相信，电源已经可以在这范围内为电池充电。图 4 无线电力传输实验演示（三） 电力发射端与接收端本系统所用到的共振可以无线传输电力，其原理在于将共振现象运用到电磁波的传递上。利用铜制线圈作为电磁共振器，一团线圈附在电力发射端即电源，另一团在电力接收端及改造手机电池后盖。当发射端发射某特定频率的电磁波后，经过电磁场扩散到接受方即手机电池，电力就实现了无线传导，也就实现了手机无线即时充电。图 5 接受线圈图 6 发射端由控制电路板和TX线圈组成（四） 预计技术难点因实现远距离大功率无线磁电转换，所以设备的耗能较高。无线传输的距离越远，无用功的损耗也就会越大。无线充电技术设备本身实现的是二次能源转换，也就是将网点降压（或直接）变为直流电后在进行一次较高频率的开关控制交流变换输出。由于大功率的交直交电流转换是进行电能的二次性无线传输原因，所以电磁的空间磁损率太大。因为采用无线传输，磁能的无用功耗损会随着无线充电设备的功率增高而上升。四、创意应用前景分析（一） 应用场景 此创意着重于手机电力不足时能够及时充电，实现基于无线电力传输的手机无线即时充电系统。无线充电作为目前市场新兴的技术，由于其技术状态处于刚刚起步，无论在市场的关注度，配合度方面都不够成熟。但是仍然有着令人惊喜甚至惊异的成绩。就目前而言，其主要的应用方向为消费类手持终端，小型家电等总耗电量少，体积小的电子设备。无线充电已从梦想照进现实，从概念变成商用产品。坊间对该技术还有颇多认知误区，但难挡未来其将掀起手机，PC，电视，电动汽车等领域的新高潮。（二） 市场需求分析无线充电带来的效益不仅仅是单个无线充电市场的发展，而是无线充电平台的打造，即公共移动设备充电站将有可能成为现实，它可以让你在飞机场，麦当劳，咖啡厅等公共场所随时随地的进行充电。Leggeett&Platt是一间著名的加拿大家具公司，该公司推出的一款无线充电产品本身就是一个无线充电站兼具餐桌与充电功能的桌子。这张餐桌内设无线电源发射装置，通过与手机的交互感应，就能满足手机无线充电的需求。这样，消费者在咖啡厅可以一边就餐，一边用“餐桌”充电，实现便捷时尚的生活。（三） 市场推广模式在这里我们也想到了移动电源，如果移动电源也实现了无线充电，也许会让移动电源成为一个高科技的产品，从而降低移动电源的同质化，随之而后的移动互联网必然将火爆兴趣。也许这是移动电源未来发展的方向? 近年来随着手机和其他移动终端对于电源能量需求的增长，无线充电技术逐渐成为热门应用，成为了便携电子产品领域国际主流厂商竞相引入的一个新焦点。无线充电技术备受全球知名厂商的重视，特别是手机厂商纷纷进入无线充电领域。无线充电已成为便携式电子产品应用的趋势，而手机则被公认为首先普及标配无线充电功能、完全替代常规供电方式的产品。无线充电作为人们向往了多年的技术即将在全球范围内开始全面投入商用。与传统有线