主流的无线充电实现方式
eeskill 2022-11-14

充电运用了一种新型的能量传输技术——无线供电技术。该技术使充电器摆脱了线路的限制,实现电器和电源完全分离。在安全性,灵活性等方面显示出比传统充电器更好的优势。在如今科学技术飞速发展的今天,无线充电显示出了广阔的发展前景。

无线充电已从梦想成为现实,从概念变成商用产品。无线充电产品实例:

目前无线充电的技术已经开始在各领域中探索运用。由于无线传输的距离越远,设备的耗能就越高。要实现远距离大功率的无线电磁转换,设备的耗能较高。所以, 实现无线充电的高效率能量传输,是无线充电器普及的首要问题。另一方面要解决的问题是建立统一的标准,使不同型号的无线充电器与不同的电子产品之间能匹配,从而实现无线充电。

优点:

(1)便捷性:非接触式,一对多充电与一般充电器相比,减少了插拔的麻烦,同时亦避免了接口不适用,接触不良等现象,老年人也能很方便地使用。一台充电器可以对多个负载充电,一个家庭购买一台充电器就可以满足全家人使用。

(2)通用性:应用范围广只要使用同一种无线充电标准,无论哪家厂商的哪款设备均可进行无线充电。

(3)新颖性,用户体验好

(4)具有通用标准

主流的无线充电标准有:Qi标准、PMA标准、A4WP标准。

Qi标准:Qi标准是全球首个推动无线充电技术的标准化组织——无线充电联盟(WPC,2008年成立)推出的无线充电标准,其采用了目前最为主流的电磁感应技术,具备兼容性以及通用性两大特点。只要是拥有Qi标识的产品,都可以用Qi无线充电器充电。2017年2月,苹果加入WPC。

PMA标准:PMA联盟致力于为符合IEEE协会标准的手机和电子设备,打造无线供电标准,在无线充电领域中具有领导地位。PMA也是采用电磁感应原理实现无线充电。目前已经有AT&T、Google和星巴克三家公司加盟了PMA联盟。

A4WP:Alliance for Wireless Power标准,2012年推出,目标是为包括便携式电子产品和电动汽车等在内的电子产品无线充电设备设立技术标准和行业对话机制。A4WP采用电磁共振原理来实现无线充电。

缺点:

(1)工作距离短

目前的无线充电技术大多在短距离范围内的近磁场对电子设备进行无线充电。因为无线电能传输的距离越远,功率的耗损也就会越大,能量传输效率就会越低,且会导致设备的耗能较高。

(2)转换效率低,速度慢

无线充电技术虽然简单便捷,但是其硬伤在于缓慢的充电速度和充电效率。

(3)功耗较高,更加费电

随着无线充电设备的距离和功率的增大,无用功的耗损也就会越大。

(4)成本较高,维护消耗大,不符合标准会有安全隐患危险。

无线供电原理及实现方法:

无线充电利用电磁波感应原理进行充电,原理类似于变压器。在发送和接收端各有一个线圈,发送端线圈连接有线电源产生电磁信号,接收端线圈感应发送端的电磁信号从而产生电流。

2007年6月麻省理工学院以Marin Soljacic为首的研究团队首次演示了利用电磁感应原理的灯泡无线供电技术,他们可以在一米距离内无线给60瓦的灯泡提供电力,电能传输效率高达75%。

研究者由此设想电源可以在这范围内为电池进行无线充电,进而推想只需要安装一个电源,即可为整个屋里的用电器供电。传输线圈的工作频率在兆赫兹范围,接收线圈在非辐射磁场内部发生谐振,以相同的频率振荡,然后有效的通过磁感应进行电能传输。

实现无线充电技术主要通过四种方式:电磁感应式、磁场共振式、无线电波式、电场耦合式。

1、电磁感应式

1890年,物理学家兼电气工程师尼古拉•特斯拉就已经做了无线输电试验,实现了交流发电。

迈克尔•法拉第发现电磁感应原理,电流通过线圈会产生磁场,其他未通电的线圈靠近磁场就会产生电流。

电磁感应式充电:初级线圈一定频率的交流电,通过电磁感应在次级线圈钟产生一定的电流,从而将能量从传输端转移到接收端。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。

电磁感应式是当前最成熟、最普遍的无线充电技术,原理有些类似于变压器。

2、磁场共振式

磁场共振充电由能量发送装置,和能量接收装置组成,当两个装置调整到相同频率,或者说在一个特定的频率上共振,它们就可以交换彼此的能量,是目前正在研究的一种技术,由麻省理工学院(MIT)物理教授Marin Soljacic带领的研究团队利用该技术点亮了两米外的一盏60瓦灯泡。该实验中使用的线圈直径达到50cm,还无法实现商用化,如果要缩小线圈尺寸,接收功率自然也会下降。

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。

应用:意法半导体与WiTricity合作开发谐振无线电能传输芯片

意法半导体(简称ST)与超长距离无线电能传输技术先驱WiTricity公司,宣布合作开发电磁谐振式无线电能传输半导体解决方案。

此方案支持消费电子和物联网设备快速无线充电,并支持多个设备同时充电。这个电磁谐振无线电能传输芯片被称为“无线充电2.0”,与现有无线充电技术不同的是,这款芯片能够给金属外壳的智能手机、平板电脑和智能手表高效充电。

3、无线电波式

无线电波式充电:这是发展较为成熟的技术,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,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。此种方式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。

整个传输系统包括微波源、发射天线、接收天线3部分;微波源内有磁控管,能控制源在2. 45 GHz频段输出一定的功率。

应用:AirVolt无线充电器

AirVolt是一款利用无线电波给移动设备进行充电的无线充电器。和同类型产品一样,它的效率要比有线充电低一些。AirVolt充电头通电后可以将电能转化为电磁波,接收器获取后会将电磁波又转化为电能为手机充电。当电量充满到80%时就会自动停止充电, 低于20%时又会自动充电, 既保证了手机最佳电量又不会导致过度充电, 增加了电池使用寿命。

AirVolt由TechNovator公司开发, 需要充电时只要将接收器插进手机, 再将充电头插上插座就能进行远程无线充电。最佳充电距离是9米之内,而最远距离可达12米,躲到屋里任何一个角落都能充电!接收器和充电头体积都足够小,充电速度就比普通充电器慢一些。有Lightning 或 MicroUSB两种接口选择, 满足不同需要。

4、电场耦合式

电场耦合式充电原理: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。一般充电模块是由2个非对称偶极子按垂直方向排列而成的,这组偶极子各由供电部分和接收部分的活性炭电极和接地电极组成。无线供电模块就是通过这2个非对称偶极子的电场耦合而产生的感应电场来供电的。

电场耦合方式的特点大致有三:①充电时可实现位置自由,②电极薄,③电极部的温度不会上升。因此不仅能够提供便利性,而且还可降低系统成本。目前已试制完成为平板终端及电子书等便携终端进行无线供电的供电台。

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