浅析电磁共振无线充电技术

浅析电磁共振无线充电技术（通用3篇）

浅析电磁共振无线充电技术 篇1

浅析电磁共振无线充电技术

柴XX1

（1.理学院光信息科学与技术1002班）

摘 要：由电磁共振无线电力传输的基本原理出发，浅析了无线充电技术的应用前景及存在的问题，最后提出了一些发展策略。

关键词：电磁共振；无线充电；电力传输；电磁场；共振器前 言

由铜制线圈作为电磁共振器，一团线圈附在传送电力方，另一团在接受电力方。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受方，电力就实现了无线传导。这项被他们称为“无线电力”的技术经过多次试验，已经能成功为一个两米外的60瓦灯泡供电。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。而且只需要安装一个电源，就可以为整个屋里的电器供电。

这一系统可以在未来得到广泛应用，例如针对电动汽车的充电区以及针对电脑芯片的电量传输。而采用这项技术研制的充电系统所需要的充电时间只有当前的一百五十分之一。这项技术具有优良的能量传输特性，从而显现出独一无二的优势。在一个较远的距离上，摆脱电线的束缚，能量在空间中分布，而我们需要做的只是在任何一个地方利用它。

本文综述了无线充电技术，或者说无线能量传输技术在生活中的应用，并介绍了此技术在未来可能得到的应用，如太阳能外空间收集、地球能量网、实时定位，最后提出了在应用中待解决的问题。无线能量传输工作原理

2.1 基本原理

当振荡电路为非理想状态而有电阻时，电阻发热，成为阻尼振荡；当振荡电路中有外加的周期性电动势作用时，将成为受迫振荡；当外加电动势的频率与电路自由振荡的固有频率ω相同时，振幅达最大值，叫电磁共振。

电磁共振是目前正在研究的一种电力传输方式，是利用电流通过线圈产生同频率的磁场共振实现无线供电，磁场的强弱决定了它的传输距离和效率，它可以实现10m左右距离的室内供电。并且它们传递能量的强度不会受到周围事物的影响。但由于目前的实验所需要的线圈直径较大，还仅仅停留在实验阶段，而且，必须对其相应频率进行保护，防止相同频率的电磁波进行干扰，降低效率。2.2 装置原理图

图 1 电磁共振电力传输与传统方法的比较

与常规电力传输方法不同的是，对于无线传输，接收线圈和发射线圈可以相距很远，其传输距离和效率受制于磁场的强弱。发射线圈与电源相连，向外发射一定频率的磁场，远处的接收线圈在磁场中发生谐振，接收空间中的能量，在将能量用于设备运转。于是能量便从电源，穿过空间实现了传输。广泛的应用领域及现状

无线电力传输技术在医疗器械、便携通信、航空航天、交通运输、水下探测等领域有着广泛的应用前景，涉及军事、工业、医疗、运输、电力、航空航天、空间站、卫星、军舰、航母、节能环保、便携式通信设备等行业1。随着材料学、电力电子件、功率变换和控制技术的发展和WPT技术的逐步成熟以及特殊场合下无线电力传输需求的增长，WPT应用逐步成为现实。无线电力传输应用产品包括低功率低能耗电子通信产品、家具产品、办公产品、治疗仪器、交通工具，如：手机、MP3、电动牙刷、电子遥控门锁、梦幻彩灯、掌上电脑、笔记本电脑、吸尘器、电话、净水器、冰箱、微波炉、体温表、助听器、心脏起搏器、心脏调节器、心脏除颤器、电动汽车、动车组、矿井电车等目前WPT技术大多处在研究阶段，产品应用的主要是lCPT和RFPT技术。ICPT技术主要应用于电动汽车、机车的充电轨道、矿井和水下探测，RFPT主要应用于医疗器械和便携式电子产品。

在医疗器械领域，WPT技术发展改变了医疗植入式电子系统的供电方式，RFPT技术在医疗电子行业得到了长足发展，如心脏起搏器的核电池充电，耳蜗植入装置供等，其充电方式一般采用ICPT和RFPT等进行体外能量传输。医疗植入式装置无线电能传输系统的基本工作原理是采用E类放大器作为RFPT系统的发射极，通过体外与体内两个线圈之间的电磁耦合输送电能，产生的耦合电磁波经穿透人体后，通过谐振回路将电磁波转化为电能，再经过整流、滤波、稳压等辅助电路而得到所需的工作电压。采用RFPT技术，主要有经皮能量传输和直接能量传输，可以减小人体受感染的风险，同时又解决了电池寿命有限的问题。在便携通信领域，WPT近年日渐风靡，已有不少高科技公司涉及这一领域。在充电座和手机中安装发射和接收电能的线圈，手机便可实现无接点充电。在充电插座和牙刷中各有一个线圈，当牙刷放在充电座上时就有磁耦合作用，利用电磁感应的原理来传送电力，感应电压整流后就可对牙刷内部的充电电池充电。笔记本电脑或手机放在装有能传输电能的“电磁桌”上能“吸取”电能而工作。

在航空航天领域，空间太阳能电站发出的电能可通过微波向卫星和地面传输电能，MPT技术发展推动了空间太阳能发电和卫星技术的革新，发射、反射和接收技术等得到了很大的发展，微波电能传输在航空航天和电力领域得到应用。太空太阳能电站是利用卫星技术，在太空把太阳能转化成电能，然后以微波和激光等方式传回地球供人类使用的系统。

在交通运输领域采用的是ICPT技术，主要应用于轨道机车和电动汽车的充电装置。水下探测是WPT系统的一个重要应用领域，水下电能传输可用于深海潜水、深海油田与深海采矿水下电能的获取还能增强非核动力船只的续航能力。无线电力传输面临的问题及发展对策

无线电力传输的主要障碍是无线电力传输的效率和距离，无线电波的弥散、吸收与衰减是无线输电的难点。电磁波在自由空间传输能量的过程中会向四面八方散发、不易集中、定向性差，能量在无线传输过程中，空气作为耦合介质，电力载体的磁力线会有极大损耗，特别是微波，漫射在空间，能量衰竭更快。因此无线电力传输功率低，整体效率差，难以输送大量的能量，电力难以进行大功率远距离的无线传输。对于无线充电，充电器与被充电设备之间以磁场形式连接，各种各样的干扰会造成能量传输的损耗，电磁感应方式传送能量较小、传送范围较小等问题也制约着电动汽车的无线充电发展。

无线电力传输工程规模巨大，无线电力传输系统要解决电力生产和输送两大问题。另外，对于无线充电产品，无线充电设备必须经过相关机构的认证，同时需要找到一种相对成熟的商业模式来打开市场缺口。此外，还要对无线充电的技术进行改良和完善，需要形成一个国际通行的标准，使收发设备之间具备广泛的兼容性。参考文献

[1]古丽萍.令人期待的无线电力传输及其发展[J].中国无线电，2012，（1）:27-30.[2]曾繁屏.浅谈无线充电技术及其航标应用的展望.见:中国航海学会.中国航海学会航标专业委员会沿海航标学组、无线电导航学组、内河航标学组年会暨学术交流会论文集[C].福州:2009:.[3]王莹.无线充电动向[J].电子产品世界，2011，（11）:23-25.

浅析电磁共振无线充电技术 篇2

传统的电力传输主要通过导线, 在一般情况下合理有效, 但是装置的电池采用插头接触式充电方式, 频繁的拔插会产生电火花。近年来, 随着i Pad, i Phone等对电量充满“饥渴”的移动消费电子产品的兴起, 研发无线充电等突破性充电技术的需求日益提高。目前市场的无线充电方式大多是采用QI协议的电磁感应方式, 这种方式距离远, 功率小, 不适合快速充电。

2007年美国麻省理工大学在无线能量传输中引进共振技术使在无线传输距离、效率上有所突破[1,2,3,4]。本文结合电磁场等相关领域理论研究的新成果, 提出了一个新型的无线充电方案, 并成功的制作出了这一实物原型。

1 系统硬件设计

1.1 系统原理框图

系统原理框图如图1所示, 其由发射与接收两部分组成。发射端主要由AD/DC转换器、驱动电路、保护电路、阻抗匹配、发射线圈以及RFID与DDS模块组成。接收端则先进行阻抗匹配以使信号强度达到最大, 然后再由AD/DC反解码, 最后稳压输出至负载。

1.2 发射部分

(1) 驱动模块 (见图2)

驱动模块完成丙类信号的放大。其中过零比较器将DDS信号源产生的正弦波变成方波, 方波通过24个并联的非门增强驱动电流, 驱动两个并联的场效应管。

(2) DDS信号源模块

DDS电路控制丙类功放电路产生大功率正弦信号, 同时使正弦信号的频率与线圈共振的频率相同, 然后经过过零比较器输出方波, 加载在发射线圈上。本设计中使用AD9850。

(3) RFID识别模块

本系统采用RFID技术来识别防止因误加热充电器以外的金属等而发生危险。识别工作无须人工干预, 可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签, 操作快捷方便。其工作原理框图如图3所示。

在本RFID识别系统中, 读写器通过发射天线发送一定频率的射频信号, 当标签进入发射天线工作区域时接收到RF载波, 产生感应电流, 标签获得能量被激活, 将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去;系统接收天线接收到从标签发来的载波信号, 经天线调节器传送到读写器, 读写器对接收的信号进行解调和解码然后送到STM32主系统进行相关处理;主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性, 从而决定是否对该卡进行充电。

1.3 接收部分

接收部分原理图如图4所示。接收电路主要由整流部分和稳压部分组成。接收电路采用全桥整流电路。二极管选用肖特基二极管MBR20100, 该二极管导通压降为0.3 V, 最高整流频率为30 MHz。稳压电路采用开关电源芯片LM2577和LM2596完成稳压。输入电压先经LM2577升压至40 V, 然后经LM2596降压至设定的输出电压。

2 系统软件设计

系统流程图如图5所示。首先进入待机模式, 发送端开始探寻待充电设备, 若探寻成功, 则探测对方ID, 初步认证是否为有效的可充电移动设备, 若为有效设备, 则发送端检测充电产品信息, 对产品信息进行进一步认证。然后发送端进入工作模式, 根据接收到的产品信息给待充电设备充电, 将发送端电源提供的直流电通过谐振变换器转换为高频交流信号, 使发射线圈在周围一定距离的空间范围内产生磁场很小, 但高频变化很大的电磁场。接收端线圈位于这个电磁场中时, 发射线圈磁通量的高频变化在接收线圈中产生一定幅值的高频感应电动势。通过加在接收线圈端的桥式整流及电容滤波电路, 就可以为可充电电池提供直流供电输出, 从而实现了电能的无线传输。

3 实验分析与结果

根据磁耦合共振无线能量传输机理, 系统谐振频率是影响传输距离的最直接因素[5,6], 谐振频率越高, 电流的变化率就越大, 发射的磁场就越强, 传输的距离相应就越远。但是当线圈固有频率较高时, 粗导线线圈会受到趋肤效应的影响, 而使导线的利用率降低, 传输效率降低。因此, 我们必须要考虑趋肤效应对传输距离的影响。

为了实验的可对比性, 图6所示为在整个实验过程中只对一对发射接收线圈进行调频, 使发射接收线圈达到谐振状态, 此时, 接收端电压与信号驱动频率关系。将发射线圈发射电压调整到15 V, 线圈参数如表1所示, 线圈固有频率为1063 k Hz, 固定发射线圈和接收线圈之间距离为11 cm, 然后将输入信号频率, 以及线圈同时进行调频, 每隔1 MHz记录一次传输距离, 实验数据记录如表1所示。

图7所示为系统测试图, 图中左边负载为一额定电压为12 V的灯泡, 从图中可以看到, 灯泡完全正常工作。连续测试10小时后, 系统仍然能够正常工作, 足以证明我们系统的可靠性。

4 结束语

本文提出了一套基于磁耦合共振技术的无线电能传输的解决方案。该技术通过磁场的近场耦合, 使接收线圈和发射线圈产生共振, 来实现能量的无线传输, 由于该技术实现能量传输的基本原理是共振, 只有谐振频率相同的谐振体才会受到影响, 而人体作为非磁性物体, 暴露在强磁场环境中不会受到任何危害, 充分体现了其非辐射性的优势。实验测得系统最远距离能超过1 m。此外, 本系统把RFID认证技术应用于无线能量传输上, 提高无线供电的安全性。采用RFID技术来识别防止因误加热充电设备以外的金属等而发生危险。另外, 无线充电系统可根据各终端的种类改变性能指标, 以应对因终端不同而异的供电电压、电流及极性。该系统具有很大的潜在商用价值。

摘要：无线充电是一种方便安全的新技术, 无需任何物理上的连接, 就能把电能无接触的传输给负载。提出一种基于电磁谐振式无线电能传输的方案, 应用射频识别技术构建一套全新的无线充电系统, 以提高传输效率和减小电磁辐射, 同时也提高传输的安全性。

关键词：无线供电,电磁共振,智能充电,磁耦合,电能传输

参考文献

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[5]张雪松, 朱超甫, 李忠富.基于微带天线的能量传输技术及其性能研究[J].电子与信息学报, 2007, 29 (1) :232-235.

浅析电磁共振无线充电技术 篇3

历史悠久的无线充电技术

无线充电技并不是什么新兴技术，最早可追溯到一百多年前特斯拉(Nikola Tesla，1856—1943)的沃登克里佛广播塔实验，其本质就是借助电磁场或电磁波进行能量传递的一种技术。随着技术的日益成熟，无线充电可分为电磁感应式、电磁谐振式和电磁辐射式三种。电磁感应可用于低功率、近距离传输；电磁谐振适用于中等功率、中等距离传输；电磁辐射则可用于大功率、远距离传输。对于普通消费者来说，最常见到的是电磁感应和电磁谐振两种技术。

当前消费者在市场上见到的无线充电设备大多采用电磁感应技术，成本相对低廉，通常售价在150元左右。不过这类无线充电器不但充电效率较低，而且需要较长时间才能为手机充满电，受手机外壳材质、阻碍物等因素影响也较大，消费者体验感受较差。

超极本杀手锏

相比传统基于电磁感应技术的无线充电，Intel在IDF2012推出的无线充电技术采用电磁谐振，用超极本作为充电源，配合充电软件和发射端,能方便地为智能手机充电。这一方案不仅系统功耗较低，而且对智能手机的摆放位置几乎没有要求（传统电磁感应技术需要接收器（Rx）在发送器（Tx）上面）。

从Intel无线充电技术硬件架构图中可以看出，发送端和接收端均采用了高度集成设计，如此可有效降低产品生产成本。此外，Intel还表示将为无线充电设计专门的软件，用于检测充电设备、智能控制充电、设备位置校验等。让人兴奋的是，该软件还可以控制发射端的电磁波发射范围和方向，从而既保证了无线充电效率，又可防止别人盗电。

Intel无线充电技术采用的谐振技术，具备可与电磁感应相匹配的效率，一般是指线圈到线圈的效率，而实际效率则包括右图中的整个流程。通过实验发现，无线充电的效率随着线圈之间（发送端与接收端）的距离增加而迅速下降，相比电磁感应技术，谐振技术能提供更平稳的变化，也就是说对位置的敏感度低一些。

线圈是国王 期待2013年