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无线充电技术综述


无线充电技术综述
摘要:通常电能的传输主要是通过导线进行的。对电器设备中的蓄电池充电,一般是通过电 流电压变换控制电路和插头、 插座等接口的物理连来实现的。 这种电能传输方式在进行大功 率充电时存在高压触电的危险,且在水下,采矿,化工等对防水,防爆要求很高的环境下, 这种连接容易受到腐蚀、水、灰尘和污物的影响,使得系统的安全性、可靠性及使用寿命较 低,且极易引发事故,极

大地限制了恶劣条件下电能的传输。无接触能量传输技术正是为了 弥补这些不足而发明的一种基于高频逆变技术和磁耦合技术的新技术。 关键词:无线充电,智能手机,电磁感应,磁共振,无线电波

Summary of wireless charging technology
The second group: Li Yujun, Zhang Yanting, Sun Anhui Abstract: Usually electricity transmission is mainly done through a wire. For battery charging of electrical equipment, typically by current voltage change of control circuit and the plug and socket interface physical even. This way of power transmission in existing in high power charging the risk of electric shock, high pressure and under water, mining, chemical industry and so on for waterproof, explosion-proof demanding environment, this kind of connection are susceptible to corrosion, the influence of water, dust and dirt, make the system of safety, reliability and service life is low, and easy to cause accident, greatly limits the harsh conditions of electricity transmission. Contactless energy transmission technology is to make up for these deficiencies and invented a kind of high frequency inverter technology and magnetic coupling technology based on new technology. Keyword: wireless charging, smartphone, electromagnetic induction, magnetic resonance, radio waves
一、 无线充电技术的历史及发展现状 早在 1890 年, 著名电气工程师 (物理学家) Nikola Tesla 就已提出无线传输店里的猜想。 2007 年,MIT(Massachusettes Institute of Technology 美国麻省理工学院)无线传 能实验中发射谐振器和接收谐振器是半径为 3mm 的铜线缠绕 5.25 圈、线圈半径 300mm、高 度 200mm,具备分布式电感和电容特性的线圈型谐振器,实验测得其谐振频率为 9.90MHz。 在谐振器距离 2m 传输时传输效率约为 40%,距离为 1m 时传输效率可高达 90%。用两米外 的一个电源,“隔空”点亮了一盏 60 瓦的灯泡。

MIT 用无线传输点亮 2m 外的 60W 电灯

2008 年 12 月 17 日成立无线充电联盟(Wireless Power Consortium),2010 年 8 月

31 日,无线充电联盟在北京正式将 Qi 无线充电技术引入中国。无线充电技术采用统一的工 业标准,未来几年,手提电话、PMP/MP3 播放器、数字照相机、手提电脑等产品都可以使用 全新的低能耗、高兼容的相同的无线充电器。 2008 年 8 月,Intel 西雅图实验室的 Joshua R.Smith 研究小组基于磁谐振耦合无线能 量传输技术开发出可为小型电器充电的无线传能装置能够实现在 1m 距离内给 60W 灯泡提供 电能,效率可达 75%。

Intel 西雅图实验室现在 1m 距离内给 60W 灯泡无线供电

2010 年中国 CE 创新设计盛典上,戴尔展示了一台无需电源的笔记本电脑 LatitudeZ, 据报道,这是全球第一台配有无线感应充电基座的笔记本电脑。

戴尔展示了一台无需电源的笔记本电脑LatitudeZ

二、 无线充电技术的原理 1.电磁感应:我们今天见到的各类无线充电技术,大多采用电磁感应技术,我们可以 将这项技术看作是分离式的变压器。 我们知道, 现在广泛应用的变压器由一个磁芯和二个线 圈(初级线圈、次级线圈)组成;当初级线圈两端加上一个交变电压时,磁芯中就会产生一个 交变磁场, 从而在次级线圈上感应一个相同频率的交流电压, 电能就从输入电路传输至输出 电路。 如果将发射端的线圈和接收端的线圈放在两个分离的设备中, 当电能输入到发射端线 圈时,就会产生一个磁场,磁场感应到接收端的线圈、就产生了电流,这样我们就构建了一 套无线电能传输系统。

2.磁共振:磁共振方式的原理与声音的共振原理相同。排列好振动频率相同的音叉, 一个发声的话,其他的也会共振发声。同样,排列在磁场中的相同振动频率的线圈,也可从 一个向另一个供电。相比电磁感应方式,利用共振可延长传输距离。磁共振方式不同于电磁

感应方式,无需使线圈间的位置完全吻合。但传输距离较远。

3.无线电波:类似于早期使用的矿石收音机,主要有微波发射装置和微波接收装置组 成,如图,接收电路,可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量,在随负载作出调整的同时保 持稳定的直流电压。 英特尔公司是无线电波方式的拥护者,这项技术采用微波作为能量的传递信号,接收 方接受到能量波以后, 再经过共振电路和整流电路将其还原为设备可用的直流电。 这种方式 就相当于我们常用的 Wi-Fi 无线网络,发收双方都各自拥有一个专门的天线,所不同的是, 这一次传递的不是信号而是电能量。微波的频率在 300MHz~300GHz 之间,波长则在毫米分米-米级别,微波传输能量的能力非常强大,我们家庭中的微波炉即是用到它的热效应, 而英特尔的微波无线充电技术,则是将微波能量转换回电信号。

三种充电技术的对比:
无线充电技术 电磁感应 传输功率 几瓦到几百瓦 传输距离 小于十毫米 特点 充电器和带充电设备 很近,终端产品的初 级线圈和电路之间要 进行屏蔽。 无线电波 不超过一百毫瓦 最高不超过十米 电磁波全向辐射,传 输效率低 电磁共振 几千瓦 三到四米 即使变压器的原、副 边绕组相互垂直时, 电路仍能高效输出。 但必修对所需频率进 行保护,且几米范围 内传输需要几百兆赫 兹的频率

三、 无线充电技术的应用

目前, 市场上支持无线充电的智能手机和充电器大部分都符合总部位于美国的业界团体 “无线充电联盟(WPC) ”所制定的“Qi”规格。Qi 源自汉语“气功”中的“气” , 无线充 电方式包括“磁共振”及“电波接收”等多种方式,Qi 采用的是“电磁感应方式” 。通过实 现标准化,只要是带有 Qi 标志的产品,无论是哪家厂商的哪款机型均可充电。

英国 HaloTPT 在伦敦利用其最新研发的感应式电能传输技术成功实现为电动汽车无线 充电。在展示过程中,该公司将电能接收垫安装于雪铁龙电动汽车车身下侧,这样电池就可 以通过无线充电系统进行无线充电。

韩国首尔一座游乐园内试运行一种新型电车。 这种电车在铺有电感应条的路面上行驶时 可“无线”充电,不像传统电车需通过路轨或头顶电线获得电力。

四、 无线充电技术面临的挑战 既然无线充电技术早已有之, 那为什么直到今天还没有广泛应用到日常生活中?因为在 当前科学技术条件下,还有许多难题需要解决。 1.各种方式存在的问题: (1)电磁感应式非接触充电系统存在以下三方面的问题:一是 送电距离比较短, 如果两个线圈的横向偏差较大传输效率就会明显下降。 目前来看只能实现 传输距离为 10cm 左右,需要考虑很多的散热问题,比如线圈之间的发热。二是耦合的辐射 问题,电磁波的耦合会不会存在大的磁场泄漏。电磁感应在线圈之间传输电力,如同我们的 磁铁一样,在外圈有一定的泄漏,人如何避免受影响是个很大问题。三是线圈之间也是有可 能有杂物进入的,还有某些动物(猫狗)进入里面,一旦产生电涡流,就如同电磁炉一样, 安全性问题非常明显。 (2) 磁场共振方式,则是现在最被看好、被认为是将来最有希望广 泛应用于电动汽车的一种方式;磁场共振式供电,目前技术上的难点是,小型、高效率化比 较难。现在的技术能力大约是直径半米的线圈,能在 1m 左右的距离提供 60w 的电力。 (3) 无线电波送电方式,这种方式能量是四面八方发散的,导致其能量利用效率低得出奇。现在 则提出了利用这种技术的“太空太阳能发电技术” ,可以从根本上解决电力问题。设计最难 的部分在于安全。因为无线充电系统与电磁炉一样会发射电磁波能量,有两大问题,一是长 期发射,长时间下会造成能源浪费。二是当充电系统上放的金属异物,电磁波对其加热,轻

则烧毁装置,重则发生火灾。所以需要有“受电端目标物辨识” ,当正确的目标放置时才 送电。侦测装置的方法比如:a.磁力激活:受电端装磁铁,发射端感受到磁力才发送能量。 这种方法简单有效。 b.感应线圈上的资料传送, 也是认为最安全的方法, 与 RFID 原理一样, 电力传送中识别码一起传送和验证。但解决系统噪声和负载电流变化的干扰是难题。 2. .总的来说, 一是充电距离短。 无线充电的发送装置和接收装置相隔不能太远, 在 1~ 2 米的距离内还能起到较为满意的效果,但一旦距离拉长,能量的衰减将十分严重。二是电 能转换功率低。无线充电能量的损耗较大,传输效率不高,极易造成电能的浪费。无线充电 器的转化率目前最高只能达到 85%25,而且随着距离的增大,损耗将更大。三是易遭干扰。 平时我们都有这样的经历,手机放在电视旁边时,如果有短信或者电话进来,电视屏幕就会 受到干扰。传输电能的无线电波同样易遭干扰。电磁共振技术也容易出现干扰和互扰,不仅 寄生电容和外部磁场,甚至连接受设备都能干扰到充电磁场,从而影响充电效率。四是有辐 射。虽然有关专家认为电磁辐射对健康不构成威胁。但是电磁波对人体的影响很复杂,需要 长期的数据积累,这个过程就好比人们花了几十年时间才确认二手烟会致癌一样。此外,无 线充电由于技术含量高, 经济成本投入较大, 造价远高于目前广泛使用的有线充电和万能充 电器,所以,无线充电技术要想“飞入寻常百姓家”还需要很长的路要走。 五、 无线充电技术的展望 磁波送电方式的“太空太阳能发电技术”应用,可以从根本上解决电力问题。利用铺设 在巨大平板上的亿万片太阳电池,在太阳光照射下产生电流,将电流集中起来,转换成无线 电微波,发送给地面接收站。地面接收后,将微波恢复为直流电或交流电,送给用户使用。 无线供电,使得电动汽车可以提供这么一种可能:一辆电动汽车从出厂到它报废为止,终生 不用你去理会电力补充问题。电动汽车,在太阳能电池技术、无线供电技术、以及自动驾驶 技术的支持下, 完全可以颠覆现在的交通概念。 N 年以后, 在高速公路上, 车在自动行驶, 而汽车、电脑、手机需要的所有电力都来自从路面下铺装的供电系统、或者来自汽车上的接 收装置接收的电磁波。随着电动汽车的发展无线充电技术必定有着广阔的利用空间。 参考文献: [1]NFC-Enabled Wireless Charging.Strommer,E.;Jurvansuu, M.;Tuikka, T. ; Ylisaukko-oja, A. ; Rapakko, H. ; Vesterinen, J. Near Field Communication (NFC), 2012 4th International Workshop on [2]Keynote speakers: Wireless power transfer: From long-distance transmission to short-range chargingLi, Joshua Le-Wei ; Krairiksh, Monai ; Rahman, Tharek A. ; Al-Shamma'a, Ahmed RF and Microwave Conference (RFM), 2013 IEEE International [3]无线充电的关键技术和研究.郭言平(合肥国轩高科动力能源有限公司,工程研究院,合 肥 230011) [4]无线充电技术的发展和应用前景. 王洪博, 朱轶智, 杨军. 孙倩工业和信息化部电信研 究院 [5]无线充电器的设计. 黄洁琳,章磊. 山西电子技术. 2009,3 [6]手机无线充电技术的研究. 孟庆奎. 北京邮电大学工程硕士学位论, 2012 [7] 一种基于电磁感应的无线充电方法 . 刘刚,郑青玉,王德钊 . 北京科技大学学报, 2013.28(2) [8]令人期待的无线电力传输及其发展. 古丽萍. 中国无线电.,2012.01


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