无线充电装置

无线充电装置（精选10篇）

无线充电装置 篇1

0 引言

随着科技的发展, 电子产品得到了广泛的应用, 有线充电这种传统方式带来许多线路负载的问题。一直以来, 电能传输都是利用有线的方法进行, 该方法容易产生电线线路老化等难以避免的问题, 这便要求用电设备有更高标准的可靠性和安全性。无线充电技术使电能不通过电线传输给设备, 具有供电设备和充电器分离, 隔物传递能量等优点[1]。20世纪70年代, 在美国有人提出设计无线充电装置, 之后, Leon M等美国人就申请了一项有关怎样给电动牙刷短距离无线充电的专利。2007年, 美国麻省理工学院的科研组在美国物理学会上初次提到了该无线充电技术。经过近几年的发展, 无线充电技术取得了较大进展, 并在电动汽车、医疗电子设备、消费电子等领域得到应用, 但总体仍处于起步阶段[2]。本文介绍一种根据磁耦合谐振原理的无线电能充电装置的设计方法。

1 无线电能传输技术的原理

直流电压源提供稳定的直流电压, 经滤波电路将直流电输入高频逆变电路, 利用“磁耦合共振”原理, 产生高频电磁波并通过通电线圈发送出去, 接收线圈把接收到的电磁波转变成电能, 聚集, 通过整流滤波电路后为充电电路供电。

1.1 磁耦合谐振式无线能量传输机理

磁耦合谐振式的无线能量传输, 是用两个拥有同样谐振频率的线圈, 在某一特定的距离的条件下, 因为磁场耦合产生谐振, 能够使能量实现无线传输。利用磁耦合谐振, 即采用交变磁场, 实现能量在空间中传递, 线圈产生的磁场和分布电容产生的电场形成线圈的电磁谐振。通电线圈中的电流频率、大小, 磁场的强度等因素对磁耦合的效率具有较大影响, 且该效率决定了能量传输的效率和距离。通电之后, 线圈中所存在的磁通链主要有自感磁通链, 线圈之间的互感磁通链, 且总的磁通链与施感电流具有一定关系[4]。由此可知, 若通过耦合电感中电流变化, 则电感所产生的磁通链将因通过它的电流变化而变化。假设电感和的电压、电流值分别为、和、, 皆取相关联的参考方向, 互感值的大小为, 则两个耦合电感的电压电流关系式为:

1.2 谐振方式及选取

依据电路的基本原理, 将电感元件和电容元件进行串联或并联能够组成谐振电路, 该谐振电路能在电源为直流电源的条件下, 使电路中的电流按照正弦规律变化。当电路发生串联或并联谐振时, 电路中复阻抗达到最小或最大值, 此时发射线圈发射出最大的能量。

由阻抗公式可知, 在串联谐振的情况下, 感抗和容抗相互抵消, 电路显纯阻性, 使该回路阻抗为最小值, 电容和电感上的电压大小相等方向相反, 且远大于电源电压。在并联谐振的情况下, 等效阻抗为无穷大, 电路总电流趋近于零。而能量的传递主要是靠线圈中的电流产生的交变磁场来完成的, 串联谐振在没有负载的情况下, 发射端不宜加过高电压, 否则导致电流过大[5]。为了得到较强的电磁场, 本文主要以串联谐振作为研究方式。

2 无线充电装置结构

无线充电装置主要包括电源模块, 电能发射模块, 电能接收模块和充电模块。

2.1 交变电路电流频率的选择

越高的频率可以使辐射出的能量越大, 因此用尽可能高的电流频率来得到尽量高的无线电能传输效率, 但能量传递的效率和场效应管的开关速度有一定的关系, 即开关速度过快, 能量传递效率将变低, 为了符合各芯片的使用标准, 最终决定利用256k Hz频率传输。利用CD4060芯片把8.192MHZ的方波信号 (晶振电路产生) 分频, 产生256k Hz的方波信号。

2.2 电能发射模块

变压器将220V交流电降压, 经AC-DC整流电路后输出稳定的直流15V, 供给发射模块。发射模块将直流电经过高频逆变电路, 通电线圈来产生电磁波, 并把电磁波发射给接收模块。

高频逆变电路的作用是在控制信号的驱动下, 将15V直流电变换成频率为256KHz的高频交流电, 作用于谐振电路后就会产生高频率的交变磁场, 能量发射和接受之间的电能感应耦合就是通过这种高频的磁场变化来实现的, 且逆变电路的稳定性对发射模块的性能也有很大的影响。从CD4060芯片的7脚输出频率为256k Hz的脉冲。脉冲的驱动能力很弱, 故采用电流驱动, 此处利用L6384D高压半桥驱动芯片来实现电流驱动。L6384D有耐高压, 掉电输入, 欠压锁定等优点。

此处将振荡线圈和能量供给线圈合并, 为使电能的传输效率高, 让驱动脉冲的频率信号和LC振荡电路相同, 把铜导线绕3匝形成直径为21cm的空心线圈, 测得其电感值约为3.6μH, 根据公式:

计算可得振荡电路中CC==112211nn FF

2.3 电能接收模块

接收模块的谐振主要是从发射模块谐振产生的交变磁场中获取电能, 并将该电能转变为高频交变电流。为了增强电能获取能力, 提高电能的传输效率, 电能接收模块的谐振增加了补偿电容。正弦信号被接收后通过全桥式整流电路完成AC-DC的转换, 再通过滤波电路, 最后输出稳定的直流电压, 供给充电模块, , 给给负负载载充充电电。。

半桥整流与全桥整流的选取:整流桥的功能是将交流电通过整流后变成稳定的直流电。半桥整流是采用2只二极管组合构成桥式整流器;全桥整流是采用4只二极管组合构成桥式整流器。半桥整流 (半波整流) , 利用其整流的交流电主要是只有正或负半周期的交流电, 而全桥 (全波整流) , 利用其整流的主要是正负周期均有的交流电。此处考虑到接收到的电磁波将转化为全波交流电, 故选择全桥整流。

为使接收模块中的谐振频率也为256k HZ, 把铜导线绕4匝形成直径为21cm的空心线圈, 测得其电感值约为4.99μH, 再根据谐振公式, 计算得电容C=83n F。

3 调试

调试时把20Ω电阻接在接收模块的输出端口引出线上, 测量, 观察并记录数据, 利用数据进行计算, 分析, 从而得到和发射线圈与接收线圈距离和无线电能的传输效率的关系。结果表明:初始两线圈距离几乎为零, 当两线圈距离由小到大时, 功率迅速下降;当两线圈距离较大时, 两线圈距离再变大, 功率下降速度减缓, 最后趋向于零。如表1所示。

为了直观反映两者之间的关系, 利用表1中的数据通过Excel画出图形, 如下图4。由图可知, 当20Ω负载接在接收模块的输出端口时, 两线圈的间隔距每增加5cm时, 电能的传输效率将迅速下降。综合来看, 两线圈之间的间隔距离和无线电能传输效率是非线性的, 当两线圈之间的间隔距离增加到20cm以上时, 传输效率很低。

4 结束语

本文对无线充电装置的设计做出更深一步的研究, 简单的探索了能量传递效率与线圈之间的间隔距离之间的关系, 通过测试数据的分析, 发现在仅有线圈之间距离变化的条件下, 能量传递的传输效率随距离的变大而降低, 且变化明显。通过实验测试, 在线圈间距较小的情况下, 该装置可以给小功率用电器无线充电, 但效率较低, 充电时间长。无线充电设备有便于携带的优点, 与传统的有线充电方式相比, 无线充电更加快捷, 也摆脱了线路复杂的问题, 且能减少电线的生产, 有利于资源节约和环境保护。虽然在充电时间上无线具有劣势, 但随着技术的不断发展, 有线与无线充电之间的时间差距仍然可以缩减。但将无线电能传输技术推广到能量消耗量大的现实生活生产中, 还需要继续进行科学探索。

参考文献

[1]马剑, 荣佳伟, 李奇, 吴宝春.无线充电装置的设计与研究[J].电子制作, 2013.

[2]范兴明, 莫小勇, 张鑫.磁耦合谐振无线电能传输的研究现状与应用[J].电工技术学报, 2013, 28 (12) :75-81.

[3]何锡武, 罗雷君, 包艳涛, 陈月华.一种手机充电装置的研制[J].数字技术与应用, 2013, 04:0138

[4]孔令民, 姚建明.新编大学物理学教程[M].北京:中国水利水电出版社, 2013.

[5]王涛, 宁世超.谐振式无线电能传输技术影响因素[J].辽宁工程技术大学学报.2015, 02:233-237.

无线充电的春天 篇2

不止手机，其他许多移动智能终端的电池续航能力都令人头疼，当疲惫了一天迫不及待想要上床入眠，却还得强撑着为一堆电量不足的电子产品充电；当整装待发准备外出旅游时，总得带上一大堆电池电线充电器。更糟糕的是，有时要么是明明带了充电器，却找不到电源插口……

不，这不是我们想要的生活。

在目前电池技术还未出现重大突破的情况下，无线充电技术的春天正在走近。这种技术带来的便利不言而喻：不受插座和线缆束缚，也使不同品牌配置不同充电器的时代宣告结束，电子产品的完全密封和防水性能也成为可能。

原理来自19世纪

1820年，丹麦物理学家汉斯·奥斯特发现电流可以产生磁场，即电流的磁效应；1831年，英国物理学家迈克尔·法拉第总结出电磁感应定律。这两个伟大的发现，不仅揭示了电和磁的统一，还证明了它们之间可以相互转化。因此，无线充电的原理非常简单：发送端连接有线电源并产生电磁波，接收端感应发送端的电磁波从而产生电流。

其实早在1890年，物理学家兼电气工程师尼古拉·特斯拉就已经在着手进行无线输电试验。这位美国籍的克罗地亚人，一生最大的抱负，即为实现全球电力的无线传输。

1900年，特斯拉筹建了高达29米的沃登克里佛广播塔（Wardenclyffe Tower），试图实现远距离的无线电力传输。由于当时技术尚不成熟，以及免费传播并获取电力的想法显然威胁到了某些人的利益——特斯拉的试验受到了强力阻挠，沃登克里佛广播塔也被强行拆除。虽然这项实验最终以失败告终，但是特斯拉却通过它成为了现代无线电通讯的鼻祖。

事实上，从低频波到宇宙射线，我们周围充斥着各种电磁波，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。既然原理并不复杂，为什么使用该类技术的无线充电器普及这么困难呢？简单地说，最大障碍就在“传输距离”方面。

众所周知，传输电力即便通过金属线路传输，距离远了也会产生相当大的线路损耗，更别提通过空气传输了——距离增大以后感应的能量会迅速减少。电磁波的传播没有定向性，而且传输效率过低，因此，无线电力传输一直没能取得太多的进展。

令人期待的Qi标准

2008年12月17日，全球首个推动无线充电技术标准化的无线充电联盟（Wireless Power Consortium）正式成立。2010年8月正式推出Qi1.0标准，作为低功耗便携式电子设备充电的国际标准。

正如蓝牙是短距离交换数据的标准、WiFi是无线网络的标准，Qi正在成为无线充电的通行标准和代名词。自发布以来，Qi已经演进到1.0.3版本，目前主要支持低功率设备，功率最高5W。

Qi是通过在手机中加装电磁感应装置和控制芯片来实现无线充电的，当然，一个可接公共电源的无线充电站也必不可少——它类似一个托盘，只需将支持Qi的移动设备放在其上即可充电。获得联盟认证、带有“Qi”标识的不同品牌的手机都可使用，不用做任何配对设置，简单高效，无需线缆。

在测试中，Qi的充电效率与有线充电方式非常接近，达到了70%以上，可广泛应用于手机、MP3、照相机等手持低功率设备中。而笔记本电脑、上网本等的中等功率无线充电标准正在研发之中。

在远景计划中，WPC计划将Qi充电站植入到家庭、汽车、火车等各个公共场所，从而让消费者可以随时随地、方便快捷地享受无线充电带来的无限便捷。

也许有人会担心电磁辐射问题。一般来说，电子产品都有固定工作频率，频率越高，辐射越大。常见的小家电如电动剃须刀、电熨斗、咖啡机、加湿器、电吹风等，工作频率一般在50~60HZ左右，属于超低频产品，对人体的健康影响最小。根据WPC的规范文件显示，目前无线充电产品的工作频率同样设定在50~60HZ这一范围，理论上其电磁辐射水平和普通小家电相当。

未来，无线充电技术将这样改变我们的生活：

当你工作时，手机放在办公桌上，它在自动充电；在咖啡厅、宾馆，甚至厕所，你都可以随时为各种电子产品充电，“电量不足”将是一件奇怪的事。家里的天花板上装上一块电能发射器，电视机、洗衣机、电磁炉都会自动接收电能，连孩子玩的遥控汽车都不再需要电池。

无线充电装置 篇3

目前国内外市场上现有的矿用便携式气体检测仪都是采用锂电池或镍氢电池进行供电。该类电池具有结构紧凑、工作可靠等优点,缺点是容量有限, 通常需要在井上进行定期触点接触式充电,触点接触不良会影响电池的充电效果。无线电能传输技术 (Wireless Power Transmission,WPT)是一种借助于电磁场或电磁波实现电能非接触传输的技术[1,2]。 该技术可提供一种更灵活、更安全可靠的电能接入方式[3,4],能够实现矿用便携式气体检测仪在井下高粉尘、高潮湿、易燃易爆环境的充电,极大地提高了便携式气体检测仪的持久工作能力。本文从矿用便携式气体检测仪的实际应用需求出发,结合无线电能传输技术的技术特点,设计了适用于矿用便携式气体检测仪的无线充电装置,并进行了相应的实验验证。

1装置总体设计

矿用便携式气体检测仪无线充电装置包括无线电能发射模 块和无线 电能接收 模块,结构如图1所示。

无线电能发射电路将直流电能转换为高频交流电磁波信号,并通过线圈发送到空气中;无线电能接收电路通过线圈耦合空气中的电磁波信号,并通过整流滤波将其转换为直流信号,为矿用便携式气体检测仪提供电能,从而实现通过无线电能发射模块向矿用便携式气体检测仪进行无线充电的目的。

2硬件设计

2.1谐振补偿拓扑结构

按照电能传输原理的不同,无线电能传输分为3种方式:1电磁感应式:将电流通过线圈,从而产生磁场,实现近程无线供电;2电磁共振式:利用磁耦合共振效应实现近程无线供电;3电磁辐射式: 将电力转换成电波,以辐射传输供电[5,6]。其中电磁感应式传输距离最短,为厘米级别,但传输效率最高,因此,本文选用电磁感应式无线电能传输方式。 结合矿用便携式气体检测仪无线充电特点,设无线充电装置与矿用便携式气体检测仪之间的距离为5~6mm。

由于发射线圈和接收线圈的磁路结构有较大的间隙,2个线圈耦合系数低。为了提高电能传输能力,通常需对 发射线圈 和接收线 圈进行谐 振补偿[7,8]。电磁感应式无线电能传输通常包括4种基本的谐振补偿拓扑结构:PS,PP,SS,SP (其中,第1个P表示发射原边采用并联谐振,第1个S表示发射原边采用串联谐振;第2个P表示接收副边采用并联谐振,第2个S表示接收副边采用串联谐振)。谐振补偿拓扑结构如图2所示。其中,LP为发射原边谐振电感,LS为接收副边谐振电感,CP为发射原边并联电容,CS为接收副边并联电容。

在4种谐振拓扑结构中,SS,SP结构传输功率较大(1 000 W),但传输效率低,最大输出功率下传输效率约为50%,且在实现过程中发热量巨大,可靠性低;PS,PP结构传输功率较小(10 W),但传输效率较 高,最大输出 功率下传 输效率可 以达到90%,可靠性高。在实际应用过程中,PP结构更易于实现最大输出功率,因此,无线电能发射电路和接收电路选用PP拓扑结构。

2.2无线电能发射电路设计

无线电能发射电路如图3所示。限流电阻RS用于检测发射电路整体的工作电流;限流保护电路根据限流电阻上的压降判断电路是否过流,并输出当前电流检测信号,当过流时关断高频振荡信号发生器当前周期,停止无线电能发射,等待下一个振荡周期;高频振荡信号发生器产生高频方波信号,本文选取的方波频率为250kHz;MOSFET驱动器对方波信号进行放大并驱动场效应管T1;使能发射信号可以控制发射电路停止发射或使能发射;LP与CP构成并联谐振发射电路。

2.3无线电能接收电路设计

无线电能接收电路如图4所示。LS与CS构成并联谐振接收电路,耦合接收发射模块发射的电磁能量;整流滤波电路对接收到的能量进行整流滤波, 将接收到的交 流电压信 号转变为 直流电压 信号; DC/DC稳压电路针对直流电压信号进行进一步稳压处理,输出便携式气体检测仪正常工作所需的低纹波直流电压。

2.4LC谐振参数设计

无线电能传输系统工作于PP谐振模式下,为了实现无线电 能传输的 高效率,需要对谐 振参数LP,CP,LS,CS进行详细设计。

对于发射线圈和接收线圈,本文采用生产制作工艺简单、成本较低的螺旋线圈形式,线圈的内半径为25mm,外半径为45mm,匝数为13匝。

LC并联谐振发射电路中补偿电容CP的计算公式为

式中 : ω=2πf , f为并联谐 振电路谐 振频率 ;, 其中M为无线电能发射线圈与接收线圈之间的互感系数 ; R L为无线电能接收模块的 等效电阻 。

从式(1)可以看出,CP的选择与RL有关,为实现传输效率的最优化以及传输功率的最大化,RL应选取最大工作功率时的电阻等效值。

LC并联谐振接收电路中CS的计算公式为

2.5其他部分电路设计

无线电能发射模块中MCU主要用于接收限流保护电路输出的电流检测信号,判断当前充电状态, 调整不同阶段充电发射功率,当充电饱和后停止无线电能发射电 路的工作,同时控制 对应充电 指示LED灯显示相应状态。无线电能接收模块中MCU依据接收到的电能信号控制LED灯显示 “正在充电”或“充电停止”。

3测试分析

为了验证设计的合理性,根据上述无线充电装置设计方案,完成PCB电路板样机制作。对样机连线,将无线电能发射模块的发射线圈与接收模块的接收线圈之间的距离调整为5 mm(约为便携式气体检测仪外壳厚度与无线充电装置外壳厚度总和)。 无线电能发射模块接通12V电压,发射线圈输出波形如图5所示。

由图5可知,无线电能发射模块通过发射线圈输出幅值为12V、频率为250kHz的高频正弦电磁波。接收模块连接矿用便携式气体检测仪,接收线圈输出波形如图6所示。

由图6可知,无线电能接收模块通过接收线圈接收到耦合信号幅值为8V、频率为250kHz的高频正弦电磁波。接收模块接收的电能信号幅值受负载影响较大,负载功率越小,接收到的耦合电能信号幅值越大,但不超过发射模块发射信号幅值。

连接无线电能接收模块直流输出端(输出5V) 和滑动变阻器负载,测试无线电能传输效率,测试结果见表1。

分析表1可知,在最大传输功率为3.8 W时, 传递效率达到79%,实现了传递效率最大化。

4结语

无线充电的世界 篇4

如果，我们能够生活在一个无线充电的世界里，那该有多好！

无线充电的手机才是未来

既然大家最焦虑的是手机的电量，那咱们就先来体验一下这款手机：

这是一部酷酷的手机，当它的电量即将耗尽之时，你不用慌慌张张地寻找电源线和插座，只需将它轻轻地放在一个小盘子上。几乎在手机接触到小盘子的同时， 你会听到一声悦耳的“滴”声，然后……就没有然后了。

没错，这部手机已经开始充电了，不用电线、不用管理，你该干什么就干什么去，过一会儿回来拿起手机使用就行了。

如此看来，无线充电的时代也许已经不远了！

特斯拉线圈

无线充电的原理是 “电磁共振”。

早在100多年前，科学家就发现电力可以转化为电磁波在空气中传播，这就是电磁转换现象。科学家尼古拉·特斯拉制作了两个铜线圈，让其中一个连接电源，负责发出能量，而另一个连接灯泡，负责接收能量，两个线圈中间没有任何电线连接。由于这两个线圈拥有相同的电磁振动频率，电磁波就会在两个线圈之间传播。

电磁波有“魔力”

无线充电技术就是将电能转换成电磁波，用特殊的设备发射到空气中，由需要充电的设备接收电磁波，再变回电能。电磁波在空气中传播，看不见，摸不着，也不会电到人，十分安全。

无线充电桌

无线充电桌已经问世了，任何支持无线充电的数码设备放在这样的桌子上，都可以完成充电。无线充电桌没什么神秘的，就是将一个无线充电模块安装在桌子中。你看，无线充电在生活中是可以做到随时随地使用的。

无线充电汽车

电动汽车比传统的燃油汽车要清洁、环保得多，但麻烦之处在于充电不太方便。一旦有了无线充电技术，我们就能在街道的空闲地带安装埋在地下的无线充电机。当汽车行驶到无线充电机上方时，能接收到传送出来的电能，自动为汽车充电。

不过，如果你觉得这样还是有点儿麻烦的话，不如幻想一下整个街道、城市都能随时随地为汽车无线充电吧！

这不会只存在于科幻大片中！

无线生活梦想成真

是的，科学家正在努力延长无线输电的距离，一旦突破了距离的限制，无线充电技术将迅速攻占我们生活的每一个角落。到那时，人类将再也不需要充电线，数字设备将永远处于电量充盈的状态。

别流口水啦，这样的生活，很可能过不了太久就会成为现实！

新型的手机充电模式:无线充电 篇5

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。

无线充电动向 篇6

关键词：无线充电,线圈耦合,WPC,效率,辐射

无线充电的几种方式

通过线圈之间的能量耦合或信息耦合可以发电, 这个现象人类很早就意识到了, 关键在于怎样实现。

目前主要有五大类方式 (图1) 。

传导式充电是Wildcharge最初设计的。特点要特别设计一个支架, 把手机放上去。

RF无线充电主要通过射频 (RF) 和微波实现远距离充电, 代表企业Powercast。

简单线圈耦合电动牙刷就采用这种简单耦合方式。

普通的无线充电复杂的线圈耦合, 真正把无线充电引入市场, 代表企业有Powermat、Palm等。这类产品能够实现在其体系范围内对很多支持无线充电的产品进行充电, 它已经非常接近WPC (无线电源联盟) 的无线充电的目标:有一个平台, 把手机等无线终端放上去就可以实现充电。

WPC标准充电无线充电发展的最大阻力是不兼容性。事实上, 我国一些本土企业做出了非常便宜的无线充电方案, 但有些受到市场的适用范围所限。

WPC是在WPC框架下致力于开发产品。绿色图标 (logo) 是“Qi”, 其起名与中国的太极相关, 图标的“Q”和“i”两个字母没有连在一起, 预示着下面是一个pad (充电平板) , 上面是一个带天线的无线终端设备。

发展至今, WPC的低功率 (5W标准V1.0是2010年7月份最终定稿发布的, 从那时至今, 从50多名成员发展到90多成员, 同时, 成员行业背景广泛, 分布在半导体、运营商、终端设备制造商 (手机制造商) 等领域。

无线充电市场

无线充电的市场预测数据还不很明朗。据IMS Research 2010年分析, 根据市场应用角度, 通常分为五大类 (如表1) , 其中, 手机的占有率最高。

图2给出了三种预期。到2014年时, 中等估计是达到2亿多件。

未来应用场景

WPC目前是唯一为不足5W的低功率应用制定了规范的行业标准组织。据悉, WPC联盟正在为中功率 (125W) 制订标准, 涉及到笔记本充电和电动工具的充电。

展望未来的WPC的应用场景, 会出现中高功率的无线充电解决方案。如图3, 电视下面可有一个pad, 通过线圈耦合实现。笔记本电脑现在很少用到DVD/CD光驱, 可以把光驱部分换成无线充电器。机场或者充电桩也可以做无线充电设备。办公桌、会议桌可提供无线充电方式, 休闲娱乐和社交场合也可以实现无线充电, 也有一些大型汽车厂商在研发此类装置。

据TI (德州仪器) 电池管理方案市场拓展经理文司华介绍, 现在具体应用场景主要在公共场合率先展开, 例如学校教室旁的i Pad或手机充电车。另外一个不错的应用场景是车载手机充电。至于会议室或家庭应用, 可能用户接受还需要一些时间。

无线充电方案

典型的无线充电方案可以分成两部分 (如图4) 。左侧是TX (发射器) , 右侧是RX (接收器) 。

左侧实现AC到DC, 无线的部分是指终端部分和电源是无线关联的, 这个部分的核心是线圈, 线圈作为一个最关键的整体, 具有单向电源传输和单向通信传输。

因为有无线线圈的存在, 能够巧妙地把Power (电) 和通讯结合在一起, 实现单向的传输。电源部分有一个简单的驱动器, 会对线圈上的信号进行传感 (电流和电压的传感) , 然后回到控制器、驱动器, 协调整个无线的能量运作。

右侧接收端的线圈接收到这个信号和能量以后, 进行整流 (把产生出来的交流信号变成直流信号) , 然后进行电压调节, 例如目前TI发布的bq TESLA产品是5V的产品, 在5V时, 负载可以带动1A的负载, 最高功率是5W。控制器通过线圈对信号进行小幅干扰。

TI推出的无线充电方案

根据此理念, T I推出了b q T E SL A, 这是由物理学家特斯拉 (Tesla) 的名字演变而来, 意味着无线充电变成现实。据TI的文司华介绍, b q T E SL A芯片组的特点是小型、集成。

bq TESLA芯片组包括发射端和接收端。TI目前已公布两套解决方案, 第一代是bq TESLA100LP, 以分立式组件为基准, 2010年11月推出。第二代是bq TESLA150LP, 建立在集成型单芯片bq51013接收器方案基础之上, 可优化性能、尺寸和成本 (第二代RX+第一代TX) , 2011年4月推出。

在小型化方面, 第二代产品的bq51013只有3mm×1.9mm, 2.5 W设计的P C B (印制电路板) 是15mm×50mm×1.5mm, 加上线圈可以用在手机背壳上面 (图5) , 当然整个方案会比现有的手机背壳稍微厚一点。

发射端对空间大小没有特别苛求, 但发射端的产品也希望做得美观 (薄型) 。

无线充电的距离与效率

关于无线充电的距离, WPC的标准是5mm, 因为距离远后会显现辐射问题。从辐射角度看, 无线电场的发射没有方向性, 如果要达到远距离传输, 要提高共振的频率, 此时大家使用手机时就有点想法了, 担心自己手机的辐射。

WPC的网站[1]上有很多讨论辐射问题的, 其中一个讨论列举了非电离的电磁场数据, 但没有具体的结论, 大意是如果要远距离充电, 要实现充电所达到的电源 (能量) 的级别, 电磁场的强度应该是超过人体所能够承受的限度。

在距离5mm时, TI的第二代芯片的效率是73%。第一代是70%。因此从效率角度, 不能与带导线电源相提并论, 因为高效的开关式电源可以达到90%的能效。

那么, 为何还要发展无线充电?TI的文司华称, TI对无线充电的发展思路是希望一套传输发射端可以取代多套带导线的充电器, 如果是1:1充电, 恐怕是比不过有线充电的。

70%~73%效率时, 散热如何解决的?对于5W充电, 会有1.5W左右的损耗, 分配在接收端和发射端两边。散热很多原因是由于线圈本身的内阻, 以及中间形成损耗的散热, 这需要通过合理的设计来解决, 例如发射端空间较大, 散热应该不是问题;接收端线圈背后的空间可以用一些简单的铝片和石墨片散热。

无线未来将挑战USB

目前, USB有线充电已经十分普及, 无线充电是否会和USB形成竞争?USB出现之前也有很多不同的充电标准, 例如12V、19V方案, 曾经有人判断USB很早以前就应该消失了, 但是USB被大众接受了。

因此, 最终要看无线充电能不能确实切合用户的利益, 是否优于USB充电 (包括数据传输和充电的便利) 。很多WPC成员的愿景是, 几年之后, 携带移动产品时不再另带一根线。

参考文献

无线充电技术及其应用 篇7

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。

无线充电技术发展综述 篇8

1 主要技术

无线充电技术按照使用的电磁波的频段进行划分,总体上可以分为两大类[1]:基于非辐射电磁场(近场频段,Near Field Channel)和基于辐射性的电磁场(远场频段,Far Field Channel)。基于非辐射电磁场的技术主要有:电磁感应技术、磁共振耦合技术、电场耦合技术、近距离无线通讯技术(Near Field Communication,NFC);而基于辐射性的电磁场的技术主要有超高频无线电波技术、微波和激光技术。无线充电主要应用的频率如表1所示。

1.1 非辐射电磁场

(1)电磁感应:通过电磁感应原理将能量(交流电)从输入端(初级线圈)无线传输至输出端(次级线圈),两线圈需要近距离接触。该技术发展最为成熟,在低功耗电子产品中已经商业化和产业化。但是目前充电距离短(距离不能超过线圈半径,一般为10 cm),初次级线圈需要对齐,充电功率低(目前广泛应用为5W),数据通信为单向通信(只能由输入端传输至输出端,以反向调制实现数据传输),影响了该技术的在其他领域的进一步应用;

(2)磁共振耦合(Magnetic Resonance Coupling):通过能量发送装置和能量接收装置在一个特定的频率上共振,从而实现能量的交换和传递。2007年,麻省理工学院(MIT)的AndréKurs等人[2]利用磁共振耦合原理成功点亮了两米外的一盏60 W的灯泡,并将该技术命名为Wi Tricity。其使用的自耦合线圈是一对￠6 mm的铜线缠绕5.25圈,线圈半径为25 cm,通过分布电感和分布电容的相互作用来实现耦合,共振频率为9.9 MHz;

(3)电场耦合方式(Electrical-field Coupled):电场耦合方式利用通过沿垂直方向耦合两组非对称偶极子而产生的感应电场来传输电力。由于电极处电压高达1.5 k V,送电模块尺寸为30~108 mm,受电模块尺寸为11.5~76.5 mm,传输功率仅为10 W,无法小型化和内置,应用范围有所限制。目前采用电场耦合技术的厂商只有日本的村田制作所;

(4)近距离无线通讯技术(Near Field Communication,NFC),由非接触式射频识别RFID演变而来,是一种短距高频的无线电技术,工作频率为13.56 MHz,传输距离约10 cm。NFC技术具备了能量传输的能力,但目前NFC标准中并未包含无线充电的内容。2012年,芬兰VTT技术研究中心的Esko Str9mmer等人[3]提出了基于NFC的无线充电技术的概念设计,可以利用现有的NFC天线,从而为小型设备提供集成化和低成本的无线充电解决方案。2013年,瑞萨电子(Renesas Electronics Corporation)[4,5]提出了首款NFC无线充电解决方案,单个天线实现功率发射和数据接收,将充电区域拓宽到10 cm,支持双向通信,安全性更高。

1.2 辐射性的电磁场

超高频无线电波:由美国Powercast公司提出,工作频率为915 MHz,最大传输距离(中距离)约为8 m,目标应用领域为传感器领域。其工作原理类似于早期的矿石收音机,主要由微波发射装置和微波接收装置组成。微波接收装置可以捕获发射器发出的各类电波,并将其转换成可用的电能。发射器还具有发送和接收数据的功能,可以将外部输入的数据发送到传感器节点。

微波(Microwaves)和激光(Laser)无线电力传输:1968年美国学者Glaser[6]提出了利用电磁波接收装置将太阳能转换成电能的设想。2003年,法国国家科学研究中心的Karalis A等人以2.45 GHz的频率向接近1 km的一个村庄进行了点对点无线供电[7]。

2 主要工业标准

当前主流的无线充电标准有:Qi标准[8]、Power Matters Alliance(PMA)标准、Alliance for Wireless Power(A4WP)标准。目前电磁感应技术和磁共振技术正在相互融合,A4WP和PMA两大阵营宣布,将相互兼容对方的无线充电技术标准,并且基于两大标准的无线充电设备,均可兼容对方标准的手机。而Qi标准在1.2版中也明确加入了磁共振技术。

Qi标准是一种由无线充电联盟(Wireless Power Consortium,WPC)所制定的短距离低功率无线感应式电力传输的互连标准,主要用于低功率设备的无线充电。WPC最早由8家公司创立,目前已有212家成员公司。1.0版Qi标准采用电磁感应技术,采用低频非电离频率100~205 k Hz,充电距离为10 mm,只支持一个设备充电,初次级线圈要求对齐,能源转换效率约为85%,功率为5 W。1.2版Qi标准,采用电磁感应和磁共振技术,将充电距离扩展至45 mm,支持多终端同时充电,最大功率可达2 k W。

PMA技术同样基于电磁感应技术,由宝洁公司和Powermat创立,采用频率为277~357 k Hz的电磁波,其他与Qi标准类似。

A4WP磁共振技术(Rezence规范),由三星与Qualcomm创立,频率范围为6.765~6.795 MHz(中心频率为6.780 MHz),功率范围为10~15 W,充电距离远,线圈无需对齐,但效率比Qi略低。

3 目前主要的研究方向和展望

(1)电动车EV无线充电技术。以特斯拉为首的电动汽车的成功,使得大多数汽车制造商加速了电动汽车产业的布局,同时也驱动了学术界对电动汽车EV无线充电/无线供电技术(Wireless Power Transmission,WPT)的研究。在电动汽车EV中应用的WPT技术[9]主要分为两种:射频或微波WPT、电磁共振式WPT。2013年,京东大学的Naoki Shinohara等人[10]开发了两种电动汽车微波电力传输WPT系统,一种类似于感应耦合和磁耦合的短距离WPT系统,一种是无需耦合的中距离WPT系统。2011年,东南大学的黄学良等人[11]对基于磁共振耦合的电动车无线电力传输的拓扑结构设计进行了研究。2012年,美国德尔福汽车系统公司的Heri Rakouth等人[12]基于磁共振耦合Wi Tricity技术的3.3 k W的无线充电站传输效率可达90%。2013年,中国科学院的廖承林等人[13]设计了基于磁谐振耦合无线能量传输技术的电动汽车中距离无线充电系统,并搭建了充电效率3 300 W、传输距离22cm、端对端效率85%的电动汽车无线充电系统以验证其可行性;

(2)充电效率和拓扑结构。拓扑结构对于充电效率的提高有着较大影响。2014年,弗吉尼亚理工大学的Liguang Xie等人[14]提出蜂窝结构的多节点无线能量传输技术,对优化路径、路由流量和充电时间进行优化,解决了无线充电技术的扩展性问题。2013年,香港城市大学的Peng Wu等人[15]通过一项低成本技术将RF限制在充电板表面区域以提高充电效率。2012年,中国矿业大学的夏晨阳等人[16],针对磁共振耦合电能传输(CMRPT)系统功率传输和效率优化问题,对系统的磁路机构进行优化设计。2015年,丁煦[17,18]等人提出了可充电无线传感器网络时变动态拓扑模型,以最大化能量补给设备驻站时间比为目标对该模型进行了优化研究;

(3)无线充电技术对人体的影响分析。无线充电技术的发展一直伴随着质疑,主要就是电磁场辐射对人体产生的影响。2014年,法国高等电力学院SUP-ELEC的Ping-Ping Ding等人[19]使用有限元方法对电动车无线感应充电系统的电磁场作用于人体的影响进行了评估。充电系统功率为3 k W,频率为30 k Hz。研究表明即使人体非常接近发射线圈,电磁辐射的水平也可以满足标准要求。而对于大功率无线充电技术,必须采取电磁屏蔽措施以保证人体电磁辐射水平在安全范围。2014年,南京大学的戴海鹏、陈贵海等人[20]研究了无线充电调度的安全充电问题,以传输更多能量的同时保证场内任何位置的电磁辐射均低于给定的阙值,采用基于8个Powercast TX91501信号发射器验证了其结果;

(4)无线充电技术对传感器技术提出了更高的要求。超低功耗传感器,特别是对于无线电波RF方式,传输的功率较小,如果传感器耗能较多,导致充电效率大幅下降,那么传感器的工作周期属于阶段性工作,不能充分发挥传感器的作用。2012年,三星电子的Young-Jun Hong等人[21]提出了无线充电系统的超低功耗传感器平台,RF发射器和接收器分别消耗1.79m W和0.683 m W,提供1.2 m W的充电能量,将传感器平台的工作时间从41 h延长至168 h;

(5)无线充电技术的接入认证,对于无线充电技术的商业化特别重要,比如公用充电设施的授权和计费,如停车场、计费式的充电站等。目前普遍采用的主要有2.4 GHz频段上的蓝牙4.0(目前Rezence规范采用),NFC[22]以及RFID等。

4 结束语

无线充电技术的出现使得尼古拉·特斯拉的设想成为现实,电力可以在电磁场中以电磁波的形式进行传输。电磁感应技术和磁共振耦合技术成为无线充电技术的主流。在消费电子和电动汽车大量需求的驱动下,无线充电技术的发展将进入到一个全新阶段。

摘要：无线充电技术是通过电磁波进行无线电力输送。无线充电技术可以使产品设计摆脱线缆的束缚,使得产品设计更加紧凑和小型化。文中介绍了电动汽车的无线充电技术,为克服电动车充电线缆较粗重,实现随时随地的无线充电;消费电子无线充电的标准化、小型化、低功耗化的发展趋势;物联网应用和无线传感网络的传感器无需通过线缆连接、供电和数据下发和上传;远距离微波和激光输电技术。以及纯电动汽车无线充电、充电效率、其对人体的影响、超低功耗传感器和无线充电技术的商业化运营是未来无线充电技术的研究重点。

智能手机无线充电技术 篇9

毫无疑问，无线充电能够让为智能手机充电这件事情变得更简单：只需简单地将手机放在桌子上、床头柜上或者是汽车的控制台上，无需连接电缆即可为手机充电。不过，实际上这种通过感应方式无线充电的技术并不是什么新鲜事物，对于电动牙刷来说这是一个已经存在了相当长时间的标准功能，而对于手机来说它仍然处于起步阶段。

近日，美国咖啡连锁店星巴克表示，希望这种舒适的充电方式能够很快席卷整个智能手机世界。2014年11月底，该公司宣布，其客户将能够在旧金山市周围约200家星巴克分店使用无线方式为自己的手机充电。不过，星巴克故意没有提到的是，他们美国分店的Powermat无线充电装置使用的是PMA无线充电标准，而现阶段并没有支持该标准的智能手机。如果真希望在品尝星巴克咖啡的同时通过无线方式为自己的手机充电，首先必须买一个能够让智能手机支持该技术的电池盖或者是一个笨重的Powermat适配器，并将其插入手机的电源输入接口。据官方介绍，Powermat的产品目前只在美国可用，而据制造商金霸王的消息，甚至在欧洲Powermat暂时也没有上市的计划。虽然在亚马逊可以买到使用PMA标准的充电垫，但是没有太大的意义，毕竟支持无线充电的智能手机实在太少了，而这些支持无线充电的智能手机大部分使用的是Qi标准，由于采用的传输频率不同，所以Qi的设备并不兼容PMA。

为了能够通过感应方式充电，智能手机的电池必须被连接到一个特殊的接收线圈。第二个感应线圈在充电单元上，当手机被放在充电单元上充电时将自动启动。充电过程中两个感应线圈必须靠近，而为了能量的最佳传输，两者的最大距离大致上不可超过线圈的半径。而且，即使在最佳的距离进行充电，其充电的效果也远不如使用有线充电方式。根据制造商和品牌的不同，如果通过Qi无线充电方式为LG G3智能手机完全充满电将需要4小时40分钟，而如果使用有线方式充电则只需要3小时。另外，Qi的另一个缺点是，其最大的功率被限制在5W。然而，最近亮相CES的新一代芯片预计功率将高达15W，这种性能和效率上的缺陷导致诸如HTC之类的制造商选择了完全放弃该技术。

不过，手机部门被微软收购的芬兰制造商诺基亚是一个例外，该厂商可以说是无线充电技术应用的先行者。除了新一代的Lumia机型原生支持Qi标准之外，厂商还为此前的4款机型提供了可以用于升级的无线充电电池盖，另外，其他厂商中三星也为旗下的一些机型提供了类似的电池盖。希望为自己的智能手机升级使其支持无线充电方式的用户可以尝试查询厂商网站或者客户服务，了解是否提供原厂升级部件。其次，也可以选择第三方厂商的产品，只要是采用Qi无线充电标准的产品，不同厂商的发射器和接收器都可以相互结合发挥作用。

Qi的支持者

无线充电装置目前仍是小众产品，然而最近的事态发展表明，可能很快这种情况将会发生改变。制定Renzence无线充电标准的无线电源联盟（Alliance for Wireless Power）和制定PMA标准的电源事物联盟（Power Matters Alliance）在CES上宣布，他们未来将有意进行合作。不过，即使他们联合起来，是否能够与Qi标准竞争也值得怀疑。毕竟，对于无线充电领域尤为重要的汽车行业已经完全倾向于Qi，在2013年，奥迪、宝马、戴姆勒、保时捷和大众等厂商已经表示，未来汽车的感应式充电装置将采用Qi标准。配备Qi充电单元的第一款商用车型将会是奥迪Q7，该车型将于2015年夏天开始面市。另一家大型国际公司麦当劳也支持Qi，该公司目前正在位于英国的50家餐馆中安装Qi的充电装置。另外，在德国，也可以在汉诺威等个别城市的麦当劳餐厅使用Qi充电装置。

虽然手机无线充电仍然属于新鲜事物，但是创业公司Energous和Ossia已经准备对原有的感应式无线充电技术发起挑战：他们的无线充电产品WattUp和Cota能够和无线网络一样，为距离长达9m的设备充电。不过，目前这两款产品仍然处于原型阶段。

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不同的标准和技术

无线充电收获季节即将到来 篇10

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。