无线充电模型

无线充电模型（精选9篇）

无线充电模型 篇1

1 新型无接触传输系统理论分析

目前新型无接触电能传输系统采用电磁感应原理, 简单来说就是将变压器线圈中心的铁芯截断。初、次级绕组分别绕在不同的磁性结构上, 实现了电源和负载单元之间不需要物理连接就可以进行能量耦合。从而实现了电能的无接触传输。

新型无接触能量传递系统的基本构成框图如下图所示, 可知初、次级子系统之间不存在物理连接。

无接触能量传递系统主要包括以下几个部分:

1) 在输入端将工频交流电压经过功率放大器转换成高频交流电压供给变压器初级绕组。因为电压的频率提高很多, 在空间辐射的电磁波波长减少, 则系统的感应耦合能力就大大增强, 因此损失的能量会大大减少。

输入能量经过变压器感应耦合后, 次级端口输出的是高频电压, 利用功率放大器可以使得传输的功率能够达到要求;

2) 对次级线圈进行补偿:由于新型无接触电能传输系统属于疏松耦合式结构, 系统的功率传输能力较差。同时系统输出电流和电压的大小在很大程度上依赖于负载阻抗的大小, 输出功率受到很大限制。采用次级补偿技术可以有效地改善这种情况。次级补偿有两种基本的拓扑结构——串联/并联补偿结构。在谐振频率下, 采用串联补偿时, 次级补偿电容压降和次级感抗压降相抵消;采用并联补偿时, 流入次级补偿电容中的电流与次级导纳中电流的无功分量相抵消。在两种补偿拓扑下, 反应阻抗对于运行频率和负载变化比较敏感, 可能会增加对初级供电系统的视在功率要求, 引起电能传输问题;

(3) 为了改善初级功率因数, 减小对初级电源的视在功率要求, 需要采取初级补偿技术。最基本的初级补偿拓扑也有两种——串联/并联补偿。串联补偿时, 串联电容上的电压降与初级端的感抗压降相抵消, 降低了电压要求;并联补偿时, 流过并联电容的电流补偿了初级绕组中电流的无功分量, 从而降低了对供电系统的电流要求。在谐振频率下, 电源端的视在功率最小, 等于系统中输入的有功功率的数值。而当运行频率偏离谐振频率时, 电源端的视在功率都急剧上升。当运行频率小于谐振频率时, 并联补偿初级视在功率上升较慢;而当运行频率大于谐振频率时, 串联补偿初级视在功率增加较慢。在实际应用中, 可以使用串、并联补偿相结合的方式, 通过选择适当的补偿电容来提高系统的稳定性和功率因数。

4) 在次级端通过整流原件将输出电流的高频交流电压转化成直流电压, 以达到为电动汽车模型马达供电的目的。

2 模型构建

电动汽车模型的设计有两种方案。方案一:电动汽车模型的主骨架为铁磁材料, 其上绕有线圈。这样设计其既起到了支撑小车, 又可以增加初级绕组和次级绕组的耦合程度, 减轻了小车的重量。

电动汽车模型的侧面:铁芯两端有向地面的突起, 这样设计的目的是可以增加磁的耦合程度。电动汽车模型行驶的木板内部有很多方向与车身平行的原边线圈, 所有的线圈都并联在初级变换器的输出端口上, 以在线圈两端加上高频电压。

不同于方案一, 方案二的线圈是绕在轮轴上的。

3 模型实验过程

在实验过程中, 使用指定型号功率放大器。其能够将工频电压转变为高频电压, 并能够以一定的功率传输出来。但由示波器测得功率放大器所输出的波形并不是标准的高频正弦电压波形, 其中含有大量的谐波电压。为了方便分析, 本文认为输出的为正弦高频电压。并在此基础上, 利用matlab进行仿真, 确定了整流桥并联的电容的值得大小。

并根据我们所确定的值得做出了整流电路, 如图1所示:

但是在实验过程中, 我们发现由于电压的频率过高, 功率会发生反射现象, 不能传输给小车供电。因此, 需要对初级和次级的电感进行电容补偿。补偿的具体的电路图如图2所示。关于补偿的C1, C2的值现在正在进行中。

为使小车能够实现无人值守变电站中的巡守机器人的作用, 小组给小车加装了一个无线收发模块, 其构成为:无线摄像头, 电脑, 软件, USB接收器, 原理是无线摄像头负责拍照并且通过内部集成发射模块经2.4G频率的无线发送, USB接收器负责接收信号并且传输到电脑, 而电脑安装相应软件后采集信号并在可视化窗口上显示摄像头所拍摄的照片。经测试, 该模块可实现图片的实时传输。

4 结论

本文初步建立了新型无接触电能传输系统的无线小车模型, 并在其基础上加装了无线模块, 以达到自动巡视机器人的功能。研究结果表明初级和次级补偿必不可少, 可以大大提高系统的功率传输能力, 而初级补偿则显著减小了对初级供电系统视在功率的要求, 降低了系统成本。

摘要：新型无接触电能传输系统利用电磁感应耦合技术与电力电子技术相结合, 实现电能的无接触传输, 消除了传统的电能传输方式带来的电击、短路和发生火花的危险。本文初步建立了新型无接触电能传输系统的无线小车模型, 并在其基础上加装了无线模块, 以达到自动巡视机器人的功能。研究结果表明初级和次级补偿必不可少, 可以大大提高系统的功率传输能力, 而初级补偿则显著减小了对初级供电系统视在功率的要求, 降低了系统成本。

关键词：新型无接触电能传输系统,无线小车模型,初/次级补偿,无线模块

参考文献

[1]武瑛, 严陆光, 黄常纲, 等.新型无接触电能传输系统的性能分析[J].电工电能新技术, 2003, 22 (4) :10-13.

[2]Jufer M, Macabrey N, Perrottet M.Modeling and test of contactless inductive energy transmission[J].Mathem.&Comput.in Simul.1998 (46) :197-211.

[3]Woo KⅡ, Park H S, Cho Y H, et al.Contactless energy Transmission System for Linear servo Motor[J].IEEE Trans.Magn 2005, 41 (5) :1596-1599.

玩转无线充电 篇2

部分手机品牌提供官方的无线充电模块，不过这些产品都很昂贵（图1）。其实如果某款智能手机支持Qi无线充电，那么任何Qi无线充电器都与该手机兼容，不仅仅只支持该手机官方无线充电器（图2）。如果预算有限，完全可以购买第三方品牌的充电器，只不过在购买前一定要搞清楚Qi无线充电相关的参数。

Qi无线充电的电力

低功率Qi无线充电规范最多能够传输5瓦的电力，中等功率的Qi无线充电规范最多能够传输120瓦的电力。低功率Qi据称最远传输距离为4cm，拿手机到离充电垫上方2cm开外的地方，智能手机照样可以充电。值得一提的是，两个设备不需要彼此直接接触就能充电（图3）。

无线充电通常比传统充电来得慢。现在绝大多数Qi充电器都只可以充1A的电流，对老式智能手机来说没问题，但以前的手机支持无线充电的并不多。新款产品支持得会好很多，但1A的电流又明显拖了后腿。给一些平板电脑充电，这个速度会下降得更厉害，比起有线2A充电器其充满的速度会慢很多（图4）。

无线充电的安全性

一般来说只要正确使用就不会产生危险，这类超薄无线充电器产生非电脑辐射，对人体没有什么危害。但几乎所有无线充电器在使用过程中都会变热，但不会超过40℃。其危险系数并没有因为无线的充电方式而提高，总体来说和有线充电器是没有区别的。

设置Qi无线充电

虽然支持Qi的智能手机或平板电脑不再需要插入到电源，但超薄无线充电器肯定还是需要插入电源的。有个别无线充电器不带插头，只提供一根Micro-USB连线，这时也可以将连线的USB一端连接手机充电器一起使用（图5），或者插入到电脑上的USB端口。当然，连接移动电源也是可以的。一般接通电源之后，无线充电器会有灯光显示电源已通。

如何确认手机或平板电脑支持Qi无线充电呢？一般会在厂商的硬件规格中列出来。不过以三星Galaxy S4为例，虽然官方支持但需要更换产品后盖。三星销售这款S4的无线充电套件，可以更换原来的手机后盖（图6），但售价数百元。

其实不支持Qi这项标准的设备，我们可以手动添加无线充电功能。在网上可以搜索到很多无线充电接收贴片（图7），通过在电池与手机后盖之间的一个内含磁圈的贴纸实现无线充电功能，其原理其实和专用的手机无线充电后盖是类似的（图8）。不过具体手机型号不同贴纸一般不通用，需要的用户可以自行搜索型号。使用也非常简单，比如三星S4打开后盖就可以看到无线充电的接口，把从网上买来的Qi标准的无线充电接收贴片对好位置贴上去，盖上盖子就可以了。至于一些无法打开后盖的手机，一般也有支持无线充电的手机套，将其与手机一同使用即可。

搞定了前面的工作，想要无线充电只需将手机或平板电脑放在无线充电垫上即可。一般设备都会振动提示我们开始充电，这和插入有线充电是一个道理，无线充电器的LED指示灯也会变色提示设备开始充电。

小结

目前无线充电器还存在一定的局限性，比如充电时间会比有线方式更长等等，在民用领域还并非十分普及，更多的是用在车载等特殊使用环境下。不过相信随着技术不断进步，不足会逐渐解决，应用领域也会更加广阔。

小知识

何谓Qi无线充电

新型的手机充电模式:无线充电 篇3

现在社会中日常所用的电子产品都需要随时随地地进行充电, 所以人们也疲于使用各种插口及连接数据线。如果去掉这些数据线, 需要充电的设备也就摆脱了“线”的束缚。因此, 由于这种社会需求出现了无线充电技术。2010年9月1日, 全球首个无线充电的标准化组织———无线充电联盟在北京宣布将Qi无线充电国际标准率先引人中国。并起到了关键性的作用, 无线充电是不需要通过导线连接、插接其他辅助设备的充电技术。现在电子市场中也存在着类似的设备:例如诺基亚、小米、三星、华为等品牌的无线充电产品, 人们通过两线圈相互感应并进行电能转换的形式实现所谓的无线充电。不过, 该充电技术实现无线充电的前提必须是两线圈相靠极近, 而且传输效率也不是很高。除此之外, 这种无线充电器的使用有着很大的局限性, 注定这款设备的使用范围也很有限, 使得它不能被大众接受和推广。

现在的无线电力装置技术中, 传输的距离短, 但不能离发射端的线圈太远, 所以根本发挥不到真正“无线”的作用, 况且其输出的能量小, 只适用于电量需求小的用电电器, 故无线充电还有待于更大的提高。因为一直无法突破传输效率和远距离传输这几个关键性的难题, 所以使用的效果并不尽如人意。但是其发展空间还是非常巨大的。

无线充电设备的电磁能通过功能处理电路来进行电磁发射, 实现无触点一对多充电。较市场上针对性无线充电, 本装置优化了磁芯线圈的充电效率。采用LM324、肖特基二极管等优质元件, 更具有通用性, 其性能优越于普通元件。符合了当今社会节能的绿色思想, 在电路结构方面, 交流电经桥式整流和滤波电路滤波, 得到约20V的直流。作为充电控制部分的电源。为了保证电源管理模块可以正常运行工作, 电能的无线传输实际上由发射线圈和接收线圈组成。通过两个线圈的藕合作用实现的, 由两个线圈共同构成一个有磁线圈的变压器。

本装置采用电磁耦合原理, 将电能通过无线电磁能的形式传输给待充电设备。其结构主要由电源显示管理模块、电射电路模块、接收转换模块、充电模块共同组成, 功能模块如图1所示。

在接收单元空载情况下, 保持发射线圈和接收线圈同轴, 改变发射线圈和接收线圈间距, 测量接收单元两端电压DC。数据见表1。

由本装置的实验数据可以看出, 空载无线充电效率较市场现有的无线充电产品DC输出更高, 可用的传输距离更理想。

近年来, 随着新技术、高端材料的应用, 无线充电基本已经实现。依靠线圈之间的电磁感应的无线充电方式。但其工作距离短, 需要被充电的设备需要放置在充电座或者感应区之内。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, 同时就会自动关闭。充分的体现出节能的特点, 无线充电设备的效能接收只能在70%左右, 与有线充电设备相比, 效率确实不尽如人意, 但是它应具备充满自动关闭的功能, 避免不必要的电能消耗, 这一特点也被社会所需求。

中国是最大的手机销售市场, 而且世界上有60%的手机都产于中国, 所以无线充电技术肯定要在中国迅速发展。想要在手机上实现无线充电, 必须存在两个部分:发射器, 与电源连接, 负责向空间内发射电能。接受器, 一般安装在电子设备上, 用来接受电能。无线充电技术的优势在于方便、快捷和通用。不过其缺点就是效率不是很高。现今对便携式电子产品在充电时使用的数据线不仅仅可以进行充电, 同时还能把音频和视频文件通过USB接口传送到接收设备上。此外, 通过采用无线充电技术, 移动便携设备的公共充电站将会普遍的应用在社会当中。

试想在以后的社会中, 我们在咖啡厅, 办公室以及餐桌上, 只需要将手机安放在感应区域就可以享受充电这一“特权”, 可想而知是多么的方便快捷。到哪里都不会担心手机没电的苦恼。无线充电便携设备如果更方便, 可以更小型化, 那么对于手机的发展前途也是不可限量的。而且现在的智能家居方面也在慢慢转型为无线充电这一领域, 医疗方面想必也会使用到这一技术领域。就其社会实用性的特点是毋庸置疑的, 人人都希望简化, 而不喜欢繁琐。所以其以后必然是新兴设备。虽然无线充电技术已经占据部分市场, 但是必须要有一个共同的国际标准, 才能普及无线充电这一技术, 目前无线充电的通行标准是Qi标准, 这样在接受设备和发送设备之间才能拥有广泛的兼容性, 即使是不同的生产商, 不同的型号的产品之间也可以进行通用, 所以无线充电的技术标准化有着关键性的作用。

无线充电魔法 篇4

随着办公环境愈发“移动化”,笔记本等移动设备的电池待机时间成了难以回避的问题。电池充电器成为商务人士的生命线,因为如果设备没电我们就只能干瞪眼,有电才能做事 。

因此,无论是弄丢充电器、拿错充电器,还是将充电器忘在千里之外的酒店房间都会成为重大问题。(你能想象那个情景吗?就像放学后迟迟没有人来接的幼儿园小朋友一样惶恐地坐在那里,对着瘫痪的移动设备什么都做不了。)

今后,或许你可以不用再为充电器烦恼了。近期的新产品和技术发展将彻底改变移动设备的充电模式,最后帮你一劳永逸地摆脱烦人的充电器。有些公司已经开发出了具有革命性的产品,绝对值得关注:

■Powermat: Powermat是利用磁感应为移动设备充电的无线充电底座,只要将设备放在上面就可以自动充电,去年秋天已经上市,在今年初进入沃尔玛、Sprint Nextel等美国和境外大型连锁超市后才被主流市场发现。

■CallPod: 该公司开发的Chargepod呈轮状,有6个插口和一根电源连接线,同时可为最多6部手机或其他移动设备充电。最新产品Fueltank Duo是便携无线电源组,可同时为2个设备充电,内含电量足够充满7个手机电池。

■PureEnergy Solutions: 如果你是Lady Gaga或其他出席今年格莱美颁奖典礼的嘉宾,你会在礼品袋中发现一个无线充电器WildCharge Pad和WildCharge iPhone外壳。WildCharge Pad看起来和Powermat很像,但WildCharge不是通过磁感应,而是金属传导来为电子设备充电。PureEnergy目前正计划将这种技术嵌入到家具中。

■WiTricity:该公司创始人Marin Soljacic是麻省理工学院的教授,如果你觉得这不算什么,或许他曾获得麦克阿瑟基金“Genius Grant”奖的经历,能令你对这个人刮目相看。WiTricity和PureEnergy一样,希望将自己的无线充电技术嵌入到桌面等家具中。不过WiTricity是从磁场入手,需要充电的设备甚至无需接触传导面或感应面,即使放在一墙之隔的另一个房间也可以充电。

■WFulton Innovation:该公司的eCoupled充电解决方案利用近距离智能感应为办公桌上的多个设备提供无线电源,比如电话、台式机、打印机,甚至可以加热咖啡杯。它还会通过智能电力监测管理设备的功率级。

手机无线充电技术起航 篇5

目前最为常见的无线充电解决方案是:电磁感应, 通过初级和次级线圈感应产生电流, 从而将能量从传输端转移到接收端。具体是:当电流通过线圈之后, 便会产生出磁场;而产生的磁场又会形成电压, 有了电压之后便会产生电流, 有了电流便可以充电。无线充电器便是这样摆脱电线束缚的。无线电波是另一个发展较为成熟的技术, 其基本原理类似于早期的矿石收音机。利用微型高效接收电路, 捕捉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。因此, 只需一个安装在墙身插头的发送器, 以及安装在任何低电压产品的接收器, 就可将无线电波转化成直流电, 在约2米范围内为不同电子装置的电池充电。另一种尚在研究中的无线充电技术是电磁共振, 还有一种是激光束传输, 但难点在于激光束需要固定通道。

2 手机内置充电接收器

要实现手机等产品的无线充电, 必须有2个部分:发射器, 与电源连接, 负责发射电能;接收器, 一般安装在电子产品上, 用以接受电能。目前无线充电技术已经开始在手机中运用, 以iPhone手机为例, 无线充电生产商为使其具备无线充电功能, 对其进行了改装, 安装了一种类似“苹果皮”的接收器。无线充电接收器, 目前是以增加手机充电外壳的形式出现。当前这个外壳被称为“Qi门”, 用户不需更换手机就可抢先体验这一功能。据了解, 无线充电接收器将会充分“瘦身”, 成为手机产品中内置的无线充电接收芯片, 大小只有指甲盖那么大。

3 手机无线充电关键在于兼容性

无线充电技术主要利用电磁技术, 发射器将电流转化为电磁, 手机通过内置芯片接收器将电磁转化为电流为手机充电。无线充电技术推广的关键在于确保各厂家无线充电器能够兼容, Qi标准的制定使无线充电有了统一的技术规范, 确保同一充电器对多品牌和多产品的兼容性。专家表示, Qi无线充电标准采用的是电磁感应技术, 相比于其他技术, 效率和安全性更高。Qi无线充电标准包括接口、性能以及法规3方面, 所有通过Qi标准的手机将可借助Qi认证的充电基站、底座或是其充电装置进行无线充电。Qi标准对于充电装置的第一项要求就是功率不得高于5瓦, 这对于一些希望笔记本电脑也能利用无线充电技术的厂商可能是一大限制。

4 电磁波对人体辐射伤害尚无权威结论

无线充电技术具体到安全问题, 主要包括2个层面。 (1) 如何保证电磁波只辐射到手机接收部分, 不会影响到人体健康, 或干扰其他设备; (2) 让电磁辐射在错误使用情况下不至于损坏电池和充电器。例如识别无线充电器上的异物, 防止锂电池过热导致的变形或爆炸的危险等。专家表示这些问题需要通过长期的技术进步和大量的软硬件工作来实现。目前, 在市场发展上仍需分阶段逐步过渡, 尚有很多问题待解决。

5 无线充电覆盖范围小, 电能转化效率比有线充电低30%

无线充电技术及其应用 篇6

一、无线充电技术的发展历史

“无线充电”顾名思义就是利用一种特殊设备将电源插座的电力转变为可充电的电波, 从而在扔掉电线的情况下直接对电子设备充电。无线充电技术并不是当今才有的新技术, 早在1890年, 物理学家兼电气工程师尼古拉·特斯拉 (Nikola Tesla) 就已经做了无线输电试验, 在1891年发明了“特斯拉线圈”, 特斯拉构想的无线输电方法, 是把地球作为内导体、地球电离层作为外导体, 通过放大发射机以径向电磁波振荡模式, 在地球与电离层之间建立起大约8Hz的低频共振, 再利用环绕地球的表面电磁波来传输能量。但因财力不足, 特斯拉的大胆构想并没有得到实现。之后, 人们虽然从理论上完全证实了这种方案的可行性, 但是, 由于技术发展水平上的限制, 想要在世界范围内进行能量广播和免费获取也是不可能的。因此, 一个伟大的科学设想就这样“胎死腹中”。

二、无线充电技术的发展现状及主要应用

事实上, 从低频波到宇宙射线, 我们周围到处存在着电磁波, 它们都携带着或多或少的能量。在不少物理学家看来, 人们要做的或许仅仅是找到合适的办法接收和利用这些能量。特斯拉的想法虽然难成现实, 但无线电能传输对于新能源的开发和利用, 解决未来能源短缺问题有着重要的意义, 因此, 许多国家都没有放弃这方面的研究。

1. 主要传播方式。

科学家们认为进行无线电力传输是可能的。无线电力传输是一种区别于有线传输的特殊供电方式, 目前无线电力传输主要有电磁感应、电磁共振和微波等3种不同的传输方式。

(1) 电磁感应。这是目前最为常见的传输方式, 通过发射端和接收端的线圈相互感应产生电流, 从而实现电力传输。电磁感应是将线圈中的电流直接以电磁波形式进行1cm以下的近距离收发, 收发设备需要有较高的识别能力, 由于电磁波是向四面八方辐射而大量散失, 因此效率较低, 通常它只适合相互“贴着”的小功率电子产品。

目前最为常见的充电垫解决方案就采用了电磁感应, 事实上, 电磁感应解决方案在技术实现上并无太多神秘感, 中国本土的比亚迪公司, 早在2005年12月申请的非接触感应式充电器专利, 就使用了电磁感应技术。因此目前该领域供应商采取的措施, 就是使产品尽早上市, 成为该领域的“事实标准”, 从而成为最终的事实标准。由于电磁感应技术具有技术简单、充电高效, 并能够运用于如充满水、沙泥及灰尘的各种恶劣环境中, 未来很有可能在几种技术的较量中成为最终的赢家。

(2) 电磁共振。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。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。

(3) 微波。微波是另一种较为成熟的无线充电方式, 其电能传输与老式的矿石收音机的收音过程相似。矿石收音机自身没有直流电源, 它利用天线接收来自电台的载波, 经过检波后在听筒中产生音频电流。微波传输电脑其原理就是将电力以微波或激光形式发射到远程的接收设备, 然后通过整流、调制等处理后使用。

该领域的代表公司Powercast表示, 其最终研制的微型高效接收电路, 可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量, 在随负载做出调整的同时保持稳定的直流电压。只需一个安装在墙身插头的发送器, 以及可以安装在任何低电压产品的“蚊型”接收器, Powercast解决方案就可以将无线电波转化成直流电, 在约1m范围内为不同电子装置的电池充电。目前, 该公司已经与菲利浦公司签署了合作协议。

2. 发展现状及应用。

虽然研究人员一直试图解决无线充电技术, 并已提出了不同的解决方案。不过大部分方案只是处于试验阶段, 还有很多无法解决的技术难题。最流行的两个解决方案是电磁感应和电磁共振。

(1) 电磁感应法。麻省理工学院的研究团队在2007年6月7日美国《科学》杂志的网站上发表了他们的研究成果。研究小组把共振运用到电磁波的传输上而成功“抓住”了电磁波。他们利用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2m外的60W灯泡供电。根据北美电力研讨会最新发布的论文显示, 在2008年9月, 他们已经在美国内华达州的雷电实验室成功地将800W电力用无线的方式传输到5m远的距离, 见图1。

目前, 英国剑桥Splashpower公司已经发明一种无线充电解决方案, 可使手机不用接到电缆上就能给手机电池充电。该方案主要有两部分组成:Splash充电板和Splash电力接收器。充电板与设备之间没有物理连线, 电能是通过安放在充电板和电力接收器中的感应线圈传送的, 接收器被暗置在手机、掌上电脑或其他类似装置中。

(2) 磁共振法。日本富士通公司也研发了一项新的无线充电技术, 富士通的无线充电技术利用了磁共振在充电器与设备之间的空气中传输电荷, 线圈和电容器则在充电器与设备之间形成共振。富士通表示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。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1/150。

无线充电技术还可在市政交通方面有所建树。据国外媒体报道, 英国Halo IPT公司近日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。2010年3月, 第一辆无线充电电动车在韩国京畿道果川市的首尔大公园试运行。这种电动车在铺有电感应带的路面上行驶时可以无线充电, 而不用像传统电动车那样需要通过路轨或车顶电线获得电力。该车被称作网E电动车, 由植入地面下约5cm处的充电带提供电力驱动。

三、存在的问题

虽然无线充电技术前景广阔, 但存在一些疑问有待解决。

1. 电磁波对人体辐射尚未得到权威答案, 安全性还需要分阶段逐步解决。

2. 无线充电覆盖范围小, 电能转化率比直冲电低30%。

3. 无线充电技术此前多应用在专业领域, 需要保证产品密闭性的地方, 但面对庞大的消费级设备市场, 这项处于起步阶段的技术, 能否说服人们“摆脱最后一根线缆”, 还是未知数。

电动汽车无线充电技术 篇7

英国的研究人员开发出了一种新型的无线充电系统, 可以令新一代电动汽车完全实现无线充电。据了解, 目前市场上的一些电动汽车, 如日产聆风和三菱i-Mi EV, 都必须要通过一根电线将汽车与街边汽车充电站或家庭插头相连才可以实现充电。而这种新研发出的感应式电能传输技术则利用感应电荷的原理, 将电源板埋藏于道路的沥青之下, 进行无线充电。同时, 电源板不暴露在外, 既可以得到有效保护, 减少磨损, 又不会受到恶劣天气的影响。

研发此项技术的Halo IPT公司宣称, 他们研发的充电系统还能支持更大的横向感应范围, 这也就意味着, 汽车的电能接收垫并不需要置于电源传输板的绝对正上方, 充电变得更为方便。

据研究人员介绍, 在感应式电能传输系统中, 主电源由交流电提供, 用于给一个集总圈提供电压, 电流范围为5安培到125安培。由于集总圈是感应式的, 必须要利用串联或并联电容器来减小供电电路中的工作电压和工作电流。电能接收垫线圈与主电源线圈通过磁性相连。通过调节接收垫线圈的工作频率, 使其与配有串联或并联电容器的主电源线圈相一致, 从而实现电能传输。另外, 还需要一个开关控制器用来对电能传输进行控制。这种感应式电能传输系统的另一个好处是, 可以让汽车驾驶员根本无需担心忘记为电动汽车充电。这种感应式电能传输技术将于今年开始实现商业化推广应用。

无线充电收获季节即将到来 篇8

市场前景

充电设备与电源线说再见的日子也许不远了。无线充电技术走进消费者视线开始于2010年, 2011年多家日本厂商率先展示其无线充电技术相关商用设备, 并且在2011年下半年开始有一些消费电子厂商将其用于智能手机等便携设备的充电应用, 逐渐开始走入大众的世界。根据市场研究机构Marketsand Markets的一份报告, 全球无线充电市场将在未来五年内获得井喷式增长, 到2017年将形成超过70亿美元的市场, 而在2011年这一数字仅仅只有4.57亿美元, 年复合增长率预计为57.6%。

随着智能手机以及平板电脑等产品的不断普及, 生活中需要对便携设备进行充电的场合也越来越多, 市场对无线充电功能的需求也随之不断增加。预计在今后, 我们将会迎来一个只需将自己的便携设备放在像一张大桌子似的充电台上的任意位置即可以进行充电的时代。为了实现这一愿望, 有些公司已开始了电场耦合式无线充电模块的批量生产, 为便携设备无线充电功能的普及做出了贡献。虽然手机充电是一个潜在的巨大市场, 但无线充电的市场推广还没有被广泛接受。支持无线充电所带来的硬件成本问题, 以及效率低于标准有线充电的问题都需要解决。有线充电的电气触点会产生问题的充电应用场景是无线充电能够真正发挥优势的地方。例如要求设备能够防水, 或是在有液体或恶劣气候条件的环境中工作。无线充电使这些设备能够永久密封, 并且能通过无线、非接触式的方式充电。

未来的无线充电技术将让所有的移动设备嵌入内置接收器和发射器, 这些接收器和发送器被无处不在的部署在公共区域, 如咖啡馆、宾馆、机场、快餐店等。消费电子设备是显而易见的目标市场, 但医疗和工业便携设备也是能够从无线电源受益的应用细分市场, 可实现防水外壳并减少充电端口, 这些充电端口经常被使用, 由于充电线的重复插入, 可引起不必要的故障。

无线充电的整个系统其实并不复杂, 基本上包含了两个部分, 一个是连接电源的充电端发信器, 另一个被充电电子产品上, 跟硬币大小差不多的接收器, 只要在一定的范围内 (跟据不同的技术距离不同) , 电源能够瞬间自发信器传到对应的接受器, 从而实现电能的传输。可以说, 对无线充电而言, 设备是简单的, 充电距离与效率才是技术最核心的环节。

无线充电技术原理

无线充电技术的原理研究可以追溯到19世纪30年代, 科学家迈克尔·法拉第首先发现了电磁感应原理, 即周围磁场的变化将使电线中产生电流。到了19世纪90年代, 爱迪生光谱辐射能研究项目的一名助手, 也是后来的科学家尼古拉·特斯拉 (Nikola Tesla) 证实了无线传输电波的可能性, 并申请了首个专利。目前短距离无线充电存在三种不同的商用技术, 电磁感应技术、无线电波技术和电磁共振技术, 几种技术各有特点。

近期电磁感应技术首先取得了突破, 一些展会上展出的产品均是采用电磁感应原理取得的成功。电磁感应技术, 通过初级和次级线圈感应产生电流, 从而将能量从传输端转移到接收端, 由于电磁感应技术具有技术简单、充电高效, 并能够运用于如满布水、沙泥及灰尘的各种恶劣环境中, 未来很有可能在几种技术的较量中最先取得成功。电磁感应技术的优点还包括传输的功率可以从几瓦到上百瓦, 基本满足了现在大部分消费电子产品特别是智能手机等充电需求最大的市场要求。但是, 电磁感应技术也有自己的问题, 首先是传输距离很短, 必须接触才能实现无线输电;另一方面, 无论是线圈和电路之间的屏蔽问题需要对产品设计加以改进, 还是充电端要进行智能识别以判断是被充目标还是其他金属以避免误充造成不必要的安全隐患, 都是电磁感应技术快速普及面临的最大挑战。

IDT先进用户界面部战略营销总监Eric Itakura相信电磁感应技术背后有很多乐观因素, 因为其背后有一个联盟机构 (无线电源联盟) , 迄今为止加入的会员超过100人。代表制造商的会员横跨多个不同的细分市场, 包括消费电子、电池、家具、汽车等。拥有广泛的支持和设备之间最重要的互操作性对保证用户体验和承诺可在任何地点充电至关重要。除了支持这种技术的公司众多, 其他优势还包括高效率, 低成本、工作在非电离kHz频率内, 并把磁场控制在非常小的区域里、安全性高。但是其他技术和要求更长距离的应用还有发展空间。

无线电波技术也是发展较为成熟的技术, 其基本原理类似于早期使用的矿石收音机。通过一个微型高效接收电路, 可以捕捉到从某个指定位置传送过来的无线电波能量, 在随负载作出调整的同时保持稳定的直流电压。该技术的主要优点是传输距离长, 并且可以对不同位置的设备进行同时传送电能。但缺点也很明显, 一个是传送功率小, 充电速度会比较慢;而且传输的效率也比较低。无线电波技术比较适合的一些小功率或相对较长时间不移动的设备充电, 并且非常理想用于物联网的一些未来供电应用。

另一种技术是电磁共振, 这个技术相对而言还没有完全成熟。电磁共振原理是, 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。把共振运用到电磁波的传递上, 利用铜制线圈作为电磁谐振器, 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, 经过电磁场辐射到接受方, 电力就实现了无线传输。

对于今后无线电力传输的应用, 电磁共振的优势很多。首先是其功率传输可以较大到几千瓦, 一方面传输速度会很快, 另一方面传输的能量效率高, 配合其传输距离可以在5米以内, 能满足一些工业和电动汽车的充电需求, 具有更普遍和广阔的现实应用空间。此外, 安全性也有保障, 日常生活中应用的很多物体, 与电磁场的反应很微弱。实验中的两个铜线圈, 虽然在彼此之间产生了强大的磁场, 但是对周围环境的影响很小。Vishay中国电阻/电感高级行销经理谭世棋表示, 电磁共振技术的发展势头最猛, 目前的性能已经达到可以接受的程度。市面上已经有一些支持这种技术的交钥匙方案。这种技术非常灵活, 易于扩展。

村田公司则在三种技术基础上进行一定的革新, 选择采用电场耦合方式实现无线供电, 村田 (中国) 投资有限公司营业企划部战略企划副经理三井裕司表示, 村田选择电场耦合方式这种技术是因为它有着不同于其他方式的独特优势, 比如宽阔的充电区域, 电极部分不受形状约束, 设计自由度较高和电极部分的发热量较少等。

由于TDK在高性能磁性材料方面的优势, 其无线充电的磁性线圈虽然很薄, 但是可以实现超高性能, 实现了厚度1.0mm以下的5W规格产品, 还有厚度0.8mm规格下的2.5w产品。TDK还利用柔性薄膜的生产技术, 提供具有抗冲击性能的产品, 同时, 其转换效率可达到70%以上, 并且提供支持WPC Qi标准规格的Tx侧线圈。

面对的挑战

无线充电技术作为近两年大规模兴起的应用, 如今, 理论技术的难点大部分已经得到解决。今天的无线电源解决方案实际上运行得非常好, 并且可靠而稳固。所以, 成本和效率是未来发展的两个最大的难点。其中, 需求重点应该不是降低接受设备的成本, 而是尽可能提高效率, 如果无线充电的效率不高, 就体现不出无线充电的好处。如果长距离无线充电普及开来, 会引发很多人身健康问题的讨论。无线充电的市场还处于初期, 随着技术变得更容易负担、效率更高, 无线充电在未来五年将迎来迅猛增长。目前, Vishay的重点是无线充电系统的线圈部分, 我们将和设计工程师紧密合作, 设计出完整的无线充电系统, 提供最高效和专用线圈, 使性能达到最高, 把可能产生问题的离散充电场减到最小。

IDT Eric Itakura表示感应无线电源效率在70%至75%的范围内, 是指从发射器的DC输入端到接收器的DC输出端效率测算所得。效率可通过更优的线路设计、使用更多的高级过程以及优化的IC架构而得到改进。无线电源接收器需要从接收用线圈接收AC电源, 并将其改变为DC电压, 然后该电压下降为充电管理或电池充电IC可接受的稳定电压。这些必须非常有效地完成以避免热引起的过度损耗。要想使功率高效率传输而无过多的热量损失, 这取决于一些因素, 包括接收器IC的效率、封装尺寸以及应用环境的特征 (例如PCB尺寸和地点) 。为了减少成本, 你可以让晶圆更小, 但是即使以最佳的效率, 在特定功率水平散热也会成为挑战。所以, 最终还是平衡。

在推广无线充电系统的过程中, 一个非常关键的问题就是如何通过标准化来确保不同设备之间的相互连接。村田的三井裕司介绍, 村田已经开始着手电场耦合方式的标准化作业, 并积极开展着技术标准的制定以及商业化平台的开发等各项工作。技术方面的重点则在于如何开发出能够同时兼容更多种不同设备的充电系统, 希望能够充分利用电场耦合方式的特点来开发出能够适用于不同电力、不同大小设备的充电系统并尽快实现标准化。

此外, 还有一个就是观念的问题, 无线充电技术并没有得到很好的理解。比如电磁感应技术需要手机端附加相关接收器, 但在演示期间, IDT Eric Itakura看到人们尝试将自己没有配备无线电源接收器的手机放在充电器上, 并希望能够接收到电源。但如之前所提到的, 解决方案有两面性, 客户需要了解有什么样的要求。让充电板和无线电源接收器与消费器件包装在一起, 需要很长时间来让客户了解, 广告和推广材料不仅让技术看起来更激动人心和让人们看到其带来的便利, 还能够让客户了解, 在时间方面, Eric Itakura期望今年能够开始大规模的商用, 明年能够开始引人注目。

基于手机无线充电的设计 篇9

在今天这个追求高效的时代, 我们使用的电子产品在向精致小巧, 时尚便携的方向发展。在日常生活中, 便携设备 (如手机, 数码相机等) 的体积也越来越小, 同时许多问题也随之而来, 比如, 电池, 不得不随着设备体积变小, 但是小体积电池的储能也相应减少, 只能维持基本的供应, 免不了频繁为其充电, 在充电中可能会遇到这样的问题:手机需要充电的时候数据线不在身边, 充电手机型号不一样, 数据线插头型号有时也不同, 频繁的插拔数据线造成插头损坏等等。这样我们不得不取出电池用“万能充”充电。而且, 没有备用电池还要承担漏接重要电话的风险![1]像i Phone一样内置电池的手机就是“万能充”也只能毫无作为。

无线充电设备彻底解决了这个问题, 用户不必顾虑数据线不兼容, 也不必担心充电时漏接电话, 更不用重复这插拔数据线的繁琐而又磨损手机的动作, 要做的只需要把手机放置充电座板上, 无论什么型号的手机, 只要使用该无线充电装置, 就可以为电池充电, 方便快捷。[2]同时, 无线充电系统还能设定充电时间, 这样就不必担心电池充电时间过长而损坏电池。当手机离开充电基座时, 发射线圈不发射电磁波, 这样同时可以实现节能环保。

2 功能与使用说明

该设计是一个手机无线充电模拟装置。按下电源开关, 在1602液晶上会有一个开机界面。开机界面结束后, 将接收线圈放到指定的位置, 发射线圈就会发射电磁波, 自动开始按设定时间对电池充电, 同时会有一个充电倒计时显示。当时间减到零时就会停止。为了便于演示, 默认定时时间是一分三十秒。充电时间可以通过键盘设置, 可以进行常规的小时分钟设定, 甚至可以精确到秒。当手机在充电时液晶显示器1602上面会显示“Charging!”和剩余的充电时间, 当没有手机时上面会显示“No Cellphone!”, 表示充电中止。当时间倒计时归零时上面会相应显示“Time Out!”, 表示充电结束。

3 设计原理

设计原理如图1所示。

4 设计说明

设计原理就是通过电磁波传递电能。首先, 用555时基集成电路产生一个12k Hz峰峰值为5V的方波, 如图2所示, 通过反相器整形, 变换, 再用反相器进行中间级放大变换成峰值为8.3V的方波, 如图3所示, 再通过反向器进行最后的放大, 最终放大成峰值为12V的方波。最后, 用三个反相器并联, 驱动H桥, 如图4所示, 在H桥的输出端输出一个峰峰值为21.2v的方波。然后, 用H桥驱动发射线圈, 将电能转换成电磁波发射出去。这个是充电底座原型, 接收线圈集成在手机里面, 将手机放到底座上, 两个线圈通过磁耦合就能传递能量。接收线圈输出的交流信号通过整流桥整流, 电容滤波, 最后变成稳定的直流电压, 这样就可以对手机进行充电了。

充电底座上有一对红外发射和接收头, 如图5所示, 有充电设备放在充电底座上时, 就会有红外线反射回来, 使红外接收头导通, 再用电压比较器LM339将模拟电压转换成“0”和“1”高低电平, 通过手机反射回来的红外线从而就可以感应手机的有无。

单片机用于控制555方波的产生、停止、定时以及检测手机的有无。

当初, 设计当中用场效应管做H桥, 场效应管反应较三极管稍有迟缓, 但是因为的频率并不是很高, 做这个项目完全足够。但是, 实际试验证明, 当频率高于3k Hz时, H桥输出的波形严重失真, 另外, 场效应管比较脆弱, 在焊接和试验的过程中很多场效应管都相继损坏, 场效应管型号为IRF530和IRF9530。他们完全可以用被三极管替代。

在发射和接收线圈的选择方面, 首先, 我们选择的发射和接收线圈都是100圈, 发射频率是6K。接收线圈输出信号经过整流滤波稳压之后, 是可以对手机充电的。但是, 考虑到线圈便于集成到手机上的问题之后, 决定将充电频率提升到12k, 发射和接收线圈都减少到34圈, 这样将接收线圈就集成到手机上就比较容易, 而且在实际应用中可以采用较细的铜丝, 也不会影响到手机等充电设备的外观。

在12k Hz方波信号发生器的选择方面, 并没有选择晶振波形产生电路, 一个是因为晶振频率调节不方便, 分频比较麻烦, 另一个是因为晶振偶尔会出现不起振的现象, 会造成系统工作不稳定。

在手机感应方面, 并没有选择超声波而是用红外线, 一个是因为红外线发射和接收头成本低、效果好, 并且写程序也比较简单;而超声波换能器体积大, 电路也比较复杂;综合考虑, 选择红外感应。

在人机界面上, 同时也没有选择数码管而选择了1602液晶, 因为1602占用cpu资源少, 而且显示内容丰富, 人机界面友好。

在峰值5V的方波放大成峰峰值12V的电路设计方面, 没有用运放而选用反向器, 是因为反相器更廉价, 而且反相器放大电路更简单, 关键是反向器也能胜这个放大工作。

5 设计特点

该设计突破以往常生活中的电器 (常见的手机、平板电脑、数码相机等便携设备) 带线充电的的传统模式, 使“隔空充电”的想象成为了现实。相信以后会有更广阔的应用空间。

以手机为例, 可以在手机充电设计中, 去掉原有接入电路, 加入接收线圈及相应的电路即可。对现有的手机我们可以进行这样的改造, 将要使用特制的电池后盖 (将极细的绝缘铜丝绕成的线圈附着或是嵌入在电池后盖的内侧, 线圈的两个引脚分别引出固定在后盖上, 在盖上后盖的时候吻合手机电池的正负极或是手机充电模块引出的接口, 后者可以利用手机内部的模块的功能, 更稳定!两种方案都不影响手机的美观, 该作品以裸线圈接高亮发光二极管演示, 模拟手机无线充电。

然后, 将底座 (下文称:充电板) 接上电源, 只要将手机放在经充电板 (后期或经过外观改造) 的相关区域, 即可实现手机无线充电, 预制可定时程序, 定时时间完全按照用户的意愿设定并通过1602液晶给予显示。

针对耗能问题, 在充电区设计了一个红外发射接受装置, 在感应区放置待充电设备时, 启动充电, 移走即停, 低碳环保, 智能便捷, 人性化。

该设计除了本身的创意之外, 还有两个技术方面的创新:⑴用反相器进行方波的放大, 将反相器VCC接8.3V, 峰峰值5V的方波就可以就可以放大成峰峰值8.3V的方波, 再一次放大, 就可以放大成峰峰值12V的方波。⑵H桥, 它的供电电压是10.6V, 但H桥桥臂是用峰峰值12V的方波驱动的, 三极管b极电压比H桥供电电源电压还高1.4V, 在四个三极管导通时UCE基本上都等于零, 三极管基本不会发热, 这样有很多优势——节能、高效, 还能保护三极管, 避免过热被损坏。

无论是电路板的焊接, 还是线圈的绕制, 我们都是全手工制作。包括供电电源, 一些相关的单片机外围设备, 振荡电路, 滤波整流等模块均为自主设计, 虽然在外观, 性能 (主要指空间远距离) 等方面略有瑕疵, 但是该产品实现基本的无线充电功能还是圆满实现。

参考文献

[1]清华大学电子学教研组编, 杨素行.模拟电子技术基础简明教程[M].3版.北京:高等教育出版社, 2006.

[2]清华大学电子学教研组编, 阎石.数字数字电子技术基础[M].5版.北京:高等教育出版社, 2006.