电磁感应与无线充电论文

电磁感应与无线充电论文（精选5篇）

电磁感应与无线充电论文 篇1

近年来,布线成本成了有线通信网络的一个沉重负担。而无线传感器网络具有安装成本低、传感器端子重构小的优点,此外它还能安装在很难提供电力的地方[1]。因为基于无线系统每一个终端设备都需要交换电池,导致了无线传感器网络投入成本增加。于是需要实现一个传感器网络设备,能实现短距离提供电力。无线充电是随着微电子及云计算技术应运而生的无线充电传输技术。无线充电传输技术体系结构突出了开放性以及可编程性,运用数字化虚拟传输处理,通过A/D和D/A变换,减少硬件电路单一缺陷,实现了只需要天线信号就能滤波放大后由A/D产生采样增压指令,并被核心计算机模块接收,提供稳定转换速率、工作带宽、动态范围,满足无线充电设备增压、传输的要求,这种感应耦合预处理技术就是无线充电电能传输技术。无线感应耦合电能传输充电技术具有一些很实用的优点与应用领域,比如可以解决电子设备充电接口不兼容的状况,很多传感器也需要无线充电,还有就是应用于植入性医疗器件、市政交通管理设备。在沙漠、深山、探井等人力不能到达的地域以及高危险领域,同样需要无线充电技术。

1 设计需求分析

1.1 设计理念

基于无线充电特点和技术需求的认识,在系统的实现技术上,必须尽量采用先进实用的主流技术并结合现有的设备及线路条件。为此,确定采用以下设计路线:依据无线网络通道,采用感应耦合交换技术,实现电能无线网络传输;本文设计中采用电路仿真模型,进行面向无线充电对象的设计。

1.1.1 硬件环境

硬件环境指的是承载整个系统的基础设施物理环境,包括各类主机服务器、接收设备、感应设备、充电模块、交换设备以及线路、UPS等。

1.1.2 系统平台

无线充电系统平台是一个复合体,既有基础服务构成层体系(包括操作系统、各类中间件),又有软件应用平台体系(包含各类应用共用无线服务软件),还包括感应充电接收体系以及耦合电能传输运行体系。

1.1.3 系统支撑层

系统支撑层是多层架构的,它将组件技术和电能传输技术整合一体。本系统支撑层包括无线传输系统、感应系统、感应充电耦合系统、电能传输接收系统和调试监控系统等。

1.2 主要技术路线以及技术因素考虑

1.2.1 感应传输技术

通过无线网络计算机中的若干关键点发送信息并对电器进行充电,并依靠无线感应电能耦合传输技术的软件和硬件整合来实现远程无线充电的过程。无线感应电能耦合传输技术一般依靠无线网络技术,通常将主机、无线网络、代理服务器、服务电路进行构建。传输中原始网络包是数据源的关键,利用主控电路和程序在混杂模式下实时监测网络适配器,并对网络的关键数据流进行处理、打包、分析。一旦需要充电行为,响应模块就提供多种选项通知、报警,并对指令采取必要的响应措施。

1.2.2 充电的工作原理

无线电力传输射频技术(RFID)有多种无线传输技术,例如共振耦合和电感耦合,图1所示为与微波MPT、RFID模块构建无线充电系统UPS。

图中L1为无线充电系统UPS线圈电感,L2为无线充电系统UPS对应边线圈电感,R1为电阻,R2为对应边电阻,M为电流互感。假设线圈间的耦合系数为k,R1与L1的合阻抗为Z1,R2与L2的合阻抗为Z2,Lm的阻抗为Zm,则有

Z1=jwL=jw(1-k)L1 (1)

Z2=jwL=jw(1-k)n2L2=jw(1-k)L1 (2)

Zm=jwL=jwkL1 (3)

无线传能的传输效率可表示为

$\begin{array}{l}\lambda =\frac{{\rm P}{}_0}{{\rm P}{}_1}=\left|\frac{({\rm Z}{}_2+R{}_{\text{L}})\parallel {\rm Z}{}_m}{({\rm Z}{}_2+R{}_{\text{L}})\parallel {\rm Z}{}_m+{\rm Z}{}_1}\times \frac{R{}_L}{{\rm Z}{}_2+R{}_L}\right|\times \\ \left|\frac{({\rm Z}{}_2+R{}_L)\parallel {\rm Z}{}_m}{{\rm Z}{}_2+R{}_L}\right|=\\ \left|\frac{R{}_L\times [({\rm Z}{}_2+R{}_{\text{L}})\parallel {\rm Z}{}_m]{}^2}{[({\rm Z}{}_2+R{}_{\text{L}})\parallel {\rm Z}{}_m+{\rm Z}{}_1\times ({\rm Z}{}_2+R{}_L){}^2]}\right|(4)\end{array}$

式中:ULIL是电路电压、电流;UPIP是电源电压、电流。由于无线充电UPS线圈间隙耦合的k值偏小,因此通过式(4)可知无线充电系统UPS传输效率不高。

1.2.3 无线感应耦合电能传输技术优点

1) 成本较低:

无线充电系统NIDS设置在远程网络中,可以是一个节点,也可以是多个关键节点。由于无须在每台电器上都安装NIDS,实现和管理成本较低。

2) 实时充电及响应[2]:

NIDS充电可以随时发现应对访问或者反馈,并能迅速做出响应措施,具有较强的实时性。这种实时性使得可以根据预先定义的参数迅速采取相应的行动,从而将电能传输造成的损失减至最低。

3) 电压倍增:

无线能量的一个主要障碍是把收获到的相对低功率无线射频(RF)能量增强到足够高的直流电压为实际使用。于是使用几个电压倍增器串联,以提高无线能量收集电路的直流输出电压的拓扑[3]。为了保证电路有足够的电压和功率,在实际应用中,通过串接EHU大电容来实现。

2 无线充电系统功能仿真设计

2.1 系统的功能设计

2.1.1 无线网络模块

无线网络模块主要是微波功率接收与指令系统使用(图2所示)。

这个微波接收系统包括整流电路、DC-DC转换器、恒定直流电源3部分。电源存储器由一个电容建立,如果微波功率不足以推动ZigBee设备,电容可以取代二次电池。二次电池,可以提供稳定的电力,但它比电容寿命短。在这项研究中使用的ZigBee设备套件是由NEC生产的ZB24FM-Z套件(其中含有温度传感器)。ZigBee网络由控制节点(ZED)、通信基站(ZC)和控制终端(ZR)三部分组成。

2.1.2 电源模块

目前,运用无线网络远程控制的感应耦合电路一直是电源设计的关注热点[4]。作为电源设计中常用的单片机,常常利用可控硅器件控制电压电流大小,有时电源还能感应耦合电路自动开闭。感应耦合电路方案利用单稳态晶闸管可控硅器件控制电路,以达到感应耦合电路传输的目的(图3所示)。

2.2 电路的设计

2.2.1 感应控制电路

根据RC感应耦合规律,利用可控硅器件构成如图4所示的电源制电路。

图4中,因为反相器输出的电平幅度是独立的,为保证传输系统导通,电路设计了VD1;为了保证感应电路传输的平稳性,令UI为高电平,且电路增加了VD2。这样,无论电平高低,晶体管V都会由导通变成截止,这样保证CX可控硅器件充电,导致Uc上升。如果Uc>UR,那么电器呈现为低电平。同样,如果CX放电,导致Uc逐渐下降,只要Uc>UR,电器必然呈现为高电平。根据推导可得出

Tx=RCXln$\frac{V{}_{\text{C}\text{C}}-V{}_{\text{C}\text{E}\text{S}}}{V{}_{\text{C}\text{C}}-U{}_{\text{R}}}$(5)

若取UR=(VCC+VCES)/2,则得TX=RCXln2。

另外,根据电路传输控制,还可以对电路传输控制进行优化。如果CX改变脉冲宽度,让TX与CX成正比,那么,TX因无线电路系统的饱和压而降低VCES,很自然进行数据锁存。

3 无线感应耦合电能传输系统的仿真

3.1 函数量变模型

假设将Vcc=5 V,R=100 Ω代入式(5),则-icx>βIB-50,β是感应耦合传输系统的电流放大系数,IB是感应耦合传输系统的2位显示电流,它与Rb的函数关系为

${\rm I}{}_{\text{B}}\approx \frac{V{}_{\text{C}\text{C}}-1.4\text{V}}{R{}_{\text{b}}}(6)$

式中:1.4 V为正向压降和系数。

这里,由于无线充电变化,Uc的最大值是5 V,放电结束时Uc的最小值是0,方波振荡周期为0.5 s。当无线充电系统反相器电压UI变化成高电平时,晶体管由于截止导致CX充电,整个电路Uc上升。只要Uc>VREF,那么电路电压是低电平[5]。同样,如果CX放电,只要Uc<VREF,电压必然是高电平。

3.2 无线充电系统的仿真测试

假设无线充电电路UI为低电平,那么CX放电,晶体管导通。一旦CX左右两边电压Uc>VCES,CX中的电流为

$-i{}_{C{}_{\text{x}}}\approx \beta {\rm I}{}_{\text{B}}-\frac{V{}_{\text{C}\text{C}}-U{}_{\text{C}}}{R}>\beta {\rm I}{}_{\text{B}}-\frac{V{}_{CC}}{R}(7)$

如果R=100 Ω,Vcc=5 V,那么-icx>βIB-50(mA)(β是电流系数,IB是基极电流)。这样可以得到与Rb函数关系与式(6)相同。

如果继续将Vcc=5 V进行无线充电优化,和式(7)结合成方程组,得到

$-i{}_{C{}_{\text{x}}}>\beta \frac{3.6}{R{}_b}-50$(mA) (8)

可以得到无线充电电路仿真波形如图5所示。

从图5b可看到模拟结果十分符合充放电的相关规律,电平的变化和为无线传输的质量是相吻合的。

4 总结

无线充电是随着微电子及云计算技术应运而生的无线充电传输技术,开发具有现实挑战性。在科技和技术日

益发展的今天,开放性和可编程性无线充电技术会发展的更好,相信有一天感应耦合电能传输会成为人们生活的好帮手。

摘要：无线充电是随着微电子及云计算技术应运而生的无线充电传输技术。其强调体系结构的开放性和可编程性,减少灵活性差的硬件电路,这种预处理技术就是所谓的感应耦合电能传输技术。基于此理念提出了感应耦合电能传输无线充电技术,在无线网络下无线充电工作原理和无线充电技术参数基础上,详细设计了系统功能模块和电路,最后通过函数算法进行了系统测试,模拟实现了无线充电技术的仿真。

关键词：无线充电技术,感应耦合传输,电路设计

参考文献

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[2]肖志坚,韩震宇,李绍卓.关于便携式电子设备新型无线充电系统的研究[J].自动化技术与应用,2007(12):114-116.

[3]池雪莲.交直流自动切换无线传能充电器的设计[J].山东师范大学学报:自然科学版,2010,25(S2):35-37.

[4]倪兰.无线充电技术国际标准发布市场风险致主流厂商态度未明[J].通信世界,2010(33):4.

[5]杨小牛,楼才义,徐建良.无线充电原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2011.

电磁感应与无线充电论文 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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[2]AndréKurs.Aristeidis Karalis.Robert Moffatt.“Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances.”[J].Science, 2007, 317 (1) :83-86.

[3]Aristeidis Karalis, J.D.Joannopoulos, and Marin Soljacic.“Wireless Non-Radiative Energy Transfer”.US8022576B2[P], 2011-09-20.

[4]C.Tomassoni, M.Mongiardo, P.Russer, R.Sorrentino, “RigorousComputer-Aided Design of Coaxial/Circular Antennas with Semi-Spherical Dielectric Layers[C].USA, MTT-S International Microwave Symposium, 2008.

[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.

一种无线充电装置的设计与研究 篇3

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

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[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.

电磁感应与无线充电论文 篇4

关键词：无线充电,工作原理,手机技术,控制电路

近年来, 电子信息技术的迅猛发展, 便携式电子产品得到了广泛运用, 手机作为主要的便携式电子产品, 在人们的日常生活和工作中有着至关重要的作用。充电器作为连接手机和市电的组件, 过于频繁的插拔会导致充电器损坏, 安全性能较差。尤其在外界环境十分恶劣的情况下, 电气接触的有效性关系到手机电池的使用寿命, 频繁地更换电池会给用户造成不便。这一背景下, 深入对无线充电在手机技术中应用进行分析和研究势在必行, 具有划时代的作用和意义。

1 概述

1.1 无线充电原理

无线充电原理包含电磁感应和感应电动势两大类。其中, 电磁感应定律原理是指当闭合电路中的一部分在电磁场内进行切割磁感线运动时, 会产生感应电动势, 从而驱动电子, 逐渐形成电流。无线充电原理为线圈提供持续变化的磁通量, 以产生电流, 并将这一电流整合为直流, 并为手机充电。

1.2 无线充电技术的分类

无线充电技术根据工作原理和运行方式的不同可分为三大类, 一是电磁感应, 二是无线电波, 三是电磁共振。电磁感应是充分利用一对线圈中的电磁感应来为手机充电。在充电器的发送端和接收端分别有一个线圈, 线圈又称为发射线圈和接受线圈。当电流经由发射线圈时会产生磁场, 而当接收线圈接受磁场后会相应产生电磁感应, 以产生电动势, 从而生成感应电流, 实现无线充电技术。两种技术之间的距离应不大于10mm, 手机用户应将手机放在无线充电器表面进行充电。

无线电波的空间较大且能耗较高, 实用性较低, 其工作原理与早期的矿山收音机极为相似。其中, 微型高效接收器可有效接收无线电波。这一技术的空间损耗较大, 适用于小功率的电子设备, 发射装置和接受装置距离应小于9m。

2 无线充电系统的构成

按照电磁感应原理, 发生变化的磁场能产生电场, 发生变化的电场也能产生磁场。随着电场与磁场的周期性变换, 电能与磁能可以在空间进行传递, 其主要方式是电磁波;电磁波被转换成电能之后即可实现能力的传输过程。根据这一原理, 利用磁芯将初级线圈与次级线圈连接在一起, 线圈之间紧密耦合, 形成了变压器。但是在无线充电技术中, 初级线圈与次级线圈之间相互独立, 不论是线圈的形状还是线径都会对耦合特性造成影响。

无线电系统主要由发射模块与接收模块组成 (如图1所示) , 包含电源、分离式变压器、高频逆变、整流滤波等部分。利用整流滤波可将交流电源产生的交流电压转换为直流电压, 再利用高频交流逆变将直流电压转换为高频交流电压, 受到变压器初期线圈的作用, 高频交流电压产生的高频电流会在分离式变压器的初级线圈中利用电磁感应产生感应电流, 最后经过整流滤波的作用提供电压。在无线充电技术中, 分离式变压器的初级线圈与次级线圈都处于独立状态, 因此耦合系数不高, 从而导致变压器的传输效率下降。要提高传输效率, 则需要分别在初级线圈与次级线圈上增加补偿电容。此外, 将一个初级线圈同时作为多个用电设备的供电装置, 则会出现充电区域小、效率低等缺点, 而将多个初级线圈并联进行供电, 则可以有效克服这些缺点, 并且均匀分布了磁感应强度的轴向分量, 使充电设备的充电电压更加稳定。

3 无线充电控制电路

3.1 硬件电路

3.1.1 手机端电路

在手机端的电流包括线圈部分、控制电路部分、蒸馏部分、检测电压、电流与温度的部分。作为接收端的控制中心, 控制电路中包括检测电压、电路和温度以及功率控制的参数指标;电力传输的核心部分是线圈, 其主要功能是将充电器端接收到的磁能转化为电能。

3.1.2 充电器端电路

充电器电流包括控制电路部分、电源部分、存储器部分、线圈部分以及检测电流电压部分。其中, 控制电流部分主要功能是对线圈电流的开关与输出功率的大小进行控制;电源部分负责将交流电转换为直流电, 得到手机所需要的电流和电压;存储器部分则主要负责参数控制与充电状态;线圈属于电流传输的主要零件, 负责将电流转换为磁场并进行传输。

3.2 功率传输流程

功率传输流程主要可以分为以下三个部分:一是充电器端控制流程, 这一部分包括对温度检测保护、对手机的检测以及发射功率等环节。当手机放置在充电器上时, 充电器需要对手机进行识别, 确认是否为手机装置, 如果只是普通金属或其它物件, 充电器则会自动停止充电。当无线充电器信号的反馈被接收并确认, 则手机可开始正常充电, 并且每隔5s对手机进行检测, 一旦检测到手机被拿走即立刻停止充电;二是手机端控制流程, 主要包括线圈检测、接收电路等环节。如果手机无法接收到无线充电器发出的信号, 则需要将手机的控制电路打开, 检测线圈位置及具体情况。如果线圈的位置正确则会对无线充电器发送信号进行反馈, 当无线充电器确认后则会开始对手机传输电流。当手机电能处于饱和状态, 则要向无线充电器发送信号, 然后停止电流传输;三是手机充电端流程, 这一部分主要包括充电显示、指示灯控制、检测是否需要充电以及停止充电等。

4 结束语

综上所述, 无线充电器与传统的有线充电技术相比, 更便于携带, 具有明显的差距性。针对我国目前的无线充电技术来看, 还存在或多或少的问题, 迫切需要相关技术人员和工作人员加强对其的重视, 不断总结和完善, 从而寻求出更具适用性的应用技术, 实现无线充电技术的商业化发展, 为满足手机用户的各项需要提供强有力的理论依据。

参考文献

[1]刘靖.手机无线充电技术的研究[J].数字化用户, 2013 (36) .

浅谈无线充电器的兴起与发展前景 篇5

1 无线充电技术简介

无线充电技术很早就出现在历史中, 19世纪30年代迈克尔·法拉第就发现磁场的变化会在电线中产生电流, 这就是著名的法拉第电磁感应原理。在19世纪90年代, 尼古拉·特斯拉就申请了一个关于无线传输电能的专利。但是由于材料等多方面技术的限制, 关于无线充电方面的技术研究一直进展缓慢。

无线充电技术在发展过程中遇到的最大障碍是其电能传输效率太低而又存在危险性, 部分研究人员认为电磁波只适合用来发送信息, 但不适合传送能量。这主要是由于电磁波在辐射的过程中没有特定的方向, 会导致电磁能浪费在空间中。

无线充电技术在近年来获得了极大的进展, 在一些家庭电器中得到了小范围的应用。目前已经出现在家庭中, 多种用电设备可以使用一台充电基站, 将手机、电脑等其它电源适配器结合起来, 改变了传统的有线充电情况。无线充电技术通过使用线圈之间产生的感应磁场, 来传输电能, 电感耦合技术将会成为连接无线充电器和用电设备之间的桥梁。当前的大部分充电器, 例如手机、笔记本电脑等都通过金属电线直接接触的方式, 给电池充电。无线充电技术出现将改变这种局面, 无线充电技术具有比较高的便捷性和通用性;但是在应用的过程中还存在着效率低下等限制因素。对于需要电能进行长时间工作的设备来说, 无线充电技术将会减少用户所需的充电器的数量, 扩大了用电器的应用范围和空间。

2 无线充电器的发展现状

香港城市大学电教授许树源在曾经成功的研发了无线电池充电平台, 它可以可将多个个电子产品放在一个充电平台上, 透过低频电磁场进行自动充电, 充电所需要的时间和传统充电器差不多, 但是这种充电平台仍然需要产品和充电器进行接触。美国麻省理工学院的研究人员近年来在无线充电器方面取得了许多进步, 而且一些产品已经出现了商业用途。研究人员利用用两米外的一个电源, 点亮了一盏60瓦的灯泡。部分研究人员认为非辐射无线传输常常受到有距离的制约, 而接收器的规模越小则无线传输的距离就越短。研究人员曾经计算出类似笔记本电脑大小的用电设备可以接收几米之内的无线电能传输, 研究人员希望通过使用不同材料以及不断的改进技术, 提高无线充电器的充电效率。

2.1 电磁感应

这是最常见的无线充电器的工作方式, 它是利用电磁感应的原理, 通过初级和次级线圈之间的电磁感应来产生电流, 从而实现能量在空间范围内的传递;而且这种无线充电器的实现方式得到了无线充电联盟的推广。

2.2 无线电波

无线电波是现阶段无线充电器发展比较成熟的一种无线充电方式, 它的工作原理是利用利用微型高效接收的电路来捕捉空间中的无线电波, 然后将电磁能转化为稳定的电能。目前已经有公司宣称可以实现对几米以外的地方对小于蜂窝电话的电子设备进行无线充电。

2.3 电磁共振

这是一种还处于研发阶段无线充电技术, 此项技术主要由美国麻省理工学院物理教授所带领的团队进行研究, 英特尔公司的工程师以该项技术作为基础, 实现了在距离电源约1米左右的地方点亮了一个60瓦的灯泡, 而且具有75%的传输效率。英特尔的工程师表示下一个目标将是利用这种无线充电技术, 对经过改装的笔记本电脑进行充电。不过要想实现这一目标, 还需要解决好电磁场对电脑中其它元件的干扰和影响。

3 无线充电器的未来

随着智能手机等耗电量比较大的电子设备的发展和普及, 市场对于无线充电器的需求也在不断地提高。无线充电器能够为手机等多种便携式设备充电铺平道路, 无线充电器在实现对多个设备进行充电时, 用电设备应当对于充电器的位置没有限制。目前很多无线充电器依靠线圈之间的电磁感应实现能量传输, 这种方式的工作距离比较短, 而且充电效率比较低, 容易造成能量的大量损耗。现在新发展的磁共振无线充电技术, 能够实现电量在同频率共振的线圈之间进行无线传输, 将会是无线充电器未来的发展方向。目前无线充电器能够实现对手机等功率比较小的用电设备的充电, 未来无线充电技术的充电功率将不断增加, 从而实现对笔记本电脑等大功率用电设备的无线充电, 目前TY LT公司已经研发了能够给手机随时随地充电的无线充电器设备, 极大的方便了人们的生活。

经过科学家们多年的研究认为要想实现无线电能传输是可能的, 但是还需要进行进一步的研究, 提高其便利性和普及性。有科学家提出了共振传输的技术, 当物体之间以相同的频率共振时, 就可能实现无线能量传输。无线充电技术利用磁共振在充电器与设备之间实现能量传输, 线圈和电容器在充电器和电子设备之间形成共振。这种充电系统中未来将会得到广泛应用, 例如对于电动汽车来说, 可以依靠充电区对电脑芯片进行电能传输。无线充电这种充电系统所在工作时的充电效率非常高, 所需要的充电时间远远低于现在的有线充电时间。无线充电器发展的最为理想状态在于其应用的普及, 能够随时随地给人们提供充电的便利。但是无线充电器要想在市场中大范围推广, 首先应当得到市场的认可, 例如无线传输频率的统一等, 只有标准统一化, 才有可能得到消费者的认可。

4 结束语

无线充电器的发展将会给人们的生活带来巨大的便利, 减少了对电源线的依赖, 对于节省资源等具有重要的意义。无线充电器只需要一个发送端, 然后按照统一的充电标准为各种不同的用电器充电, 这样就能够实现真正的无线充电, 而且能够随时随地的充电。无线充电器目前在应用中范围还比较少, 还不够普及, 还需要继续研究通用性更强、便携性更好的无线充电器, 进一步地为人们的生活提供便利。

参考文献

[1]飞兆半导体.无线充电器技术和解决方案[J].电子产品世界, 2013.