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无线充电技术

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  • 发布时间:2016/2/16 16:19:31
  • 作者:ly_yinhe
定义
无线充电技术(Wireless Charging Technology)是指不通过导线而是通过电磁感应、电磁共振、射频、微波、激光等方式经由空气介质实现非接触式电能传输的技术。
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无线充电技术分类

01电磁感应方式

电磁感应方式示意图

图示:电磁感应方式示意图

  如上图所示电磁感应方式是指利用两个平行排列的线圈间因电磁感应而产生感应电流的原理来供电的方式。

  我们今天见到的各类无线充电技术,大多是采用电磁感应技术,我们可以将这项技术看作是分离式的变压器。我们知道,现在广泛应用的变压器由一个磁芯和二个线圈(初级线圈、次级线圈)组成;当初级线圈两端加上一个交变电压时,磁芯中就会产生一个交变磁场,从而在次级线圈上感应一个相同频率的交流电压,电能就从输入电路传输至输出电路。如果将发射端的线圈和接收端的线圈放在两个分离的设备中,当电能输入到发射端线圈时,就会产生一个磁场,磁场感应到接收端的线圈、就产生了电流,这样我们就构建了一套无线电能传输系统。

  这种传输方式的主要缺陷在于,磁场随着距离的增加快速减弱,一般只能在数毫米至10厘米的范围内工作,加上能量是朝着四面八方发散式的,因此感应电流远远小于输入电流,能源效率并不高,但对于近距离接触的物体这就不存在问题了。

02磁共振方式

磁共振方式示意图

图示:磁共振方式示意图

  如上图所示磁共振方式原理与电磁感应方式相同,利用磁共振现象进行的非接触供电方式。

  与电磁感应方式相比,磁共振技术在距离上就有了一定的宽容度,它可以支持数厘米至数米的无线充电技术,使用上更加灵活。磁共振同样要使用两个规格完全匹配的线圈,一个线圈通电后产生磁场,另一个线圈因此共振、产生的电流就可以点亮灯泡或者给设备充电。除了距离较远外,磁共振方式还可以同时对多个设备进行充电,并且对设备的位置并没有严格的限制,使用灵活度在各项技术中居于榜首。在传输效率方面,磁共振方式可以达到40%~60%,虽然相对较低但进入商用化没有任何问题。

03电磁耦合方式

电磁耦合方式示意图

图示:电磁耦合方式示意图

  如上图所示电磁耦合方式是指将两个平面电极平行排列,利用电场耦合原理来供电的方式。

  相对于传统的电磁感应式,电场耦合方式有三大优点:充电时设备的位置具备一定的自由度;电极可以做得很薄、更易于嵌入;电极的温度不会显著上升,对嵌入也相当有利。首先在位置方面,虽然它的距离无法像磁共振那样能达到数米的长度,但在水平方向上也同样自由,用户将终端随意放在充电台上就能够正常充电。

  我们可以看到电场耦合与电磁感应的对比结果,电极或线圈间的错位用dz/D(中心点距离/直径)参数来表示,当该参数为0时,表示两者完全重合,此时能效处于最高状态。当该参数为1时,表示两者完全不重合。我们可以看到,此时电场耦合方式只是降低了20%的能量输入,设备依然是可以正常充电,而电磁感应式稍有错误、能量效率就快速下降,错位超过0.5时就完全无法正常工作,因此,电磁感应式总是需要非常精确的位置匹配。

  电场耦合方式的第二个特点是电极可以做到非常薄,比如它可以使用厚度仅有5微米的铜箔或者铝箔,此外对材料的形状、材料也都不要求,透明电极、薄膜电极都可以使用,除了四方形外,也可以做成其他任何非常规的形状。这些特性决定了电场耦合技术可以被很容易地整合到薄型要求高的智能手机产品中,这也是该技术相对于其他方案最显著的优点。显而易见,若采用电场耦合技术,智能手机厂商在设计产品时就有很宽松的自由度,不会在充电模块设计上遭受制肘。

  第三个优点就是电极部分的温度并不会上升——困扰无线充电技术技术的一个难题就是充电时温度较高,会导致接近电极或线圈的电池组受热劣化,进而影响电池的寿命。电场耦合方式则不存在这种困扰,电极部分的温度并不会上升,因此在内部设计方面不必太刻意。电极部分不发热主要得益于提高电压,如在充电时将电压提升到1.5kv左右,此时流过电极的电流强度只有区区数毫安,电极的发热量就可以控制得很理想。不过美中不足的是,送电模块和受电模块的电源电路仍然会产生一定的热量,一般会导致内部温度提升10~20℃左右,但电路系统可以被配置在较远的位置上,以避免对内部电池产生影响。

04微波谐振方式

微波谐振方式示意图

图示:微波谐振方式示意图

  如上图所示微波谐振方式是指将天线接收到的电波信号转换成电能的方式。

  微波谐振方式采用微波作为能量的传递信号,接收方接受到能量波以后,再经过共振电路和整流电路将其还原为设备可用的直流电。这种方式就相当于我们常用的Wi-Fi无线网络,发收双方都各自拥有一个专门的天线,所不同的是,这一次传递的不是信号而是电能量。微波的频率在300MHz~300GHz之间,波长则在毫米-分米-米级别,微波传输能量的能力非常强大,我们家庭中的微波炉即是用到它的热效应。

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无线充电技术发展

  相较于传统的电力传输,无线充电技术无需布线和充电端子,具备较高的便捷性。随着电力电子器件、功率变换和控制技术的发展,无线充电技术在转换率、低辐射等方面逐渐取得突破,目前无线充电已经在电动牙刷、电动剃须刀、无绳电话等部分家电产品中实现实用化,现在其应用范围又扩大到了智能手机领域及电动汽车和列车领域,未来无线充电技术将不断扩展到医疗、电力、航空航天、节能环保等更多领域。

  总体看来,我国无线充电技术虽然起步晚于国外,但现阶段基本上与国际处于同一发展水平,即快速成长期,已有一批企业投入技术研发并不断扩大应用领域。

  一是技术研发快速发展。2011年山东省青岛市科技发展战略研究所、山东科技大学、青岛科技大学、海尔集团超前技术研究中心共同绘制完成了“无线电力传输产业技术路线图”,从资源基础、研发需求、技术壁垒、行业需求、产业目标等方面描绘了无线电力传输产业发展的路径。同时,一些企业通过独立或是合作研发,在无线充电技术上取得重要突破并已投入使用,2013年硅展科技公司研发并拥有自主知识产权的“INPOFI智能无线充电技术”在美国国际消费电子展上获得零售商热门奖,这项技术具备无辐射、高电能转化效率、热效应微弱等特性,填补了国内在无线充电技术方面的空白;比亚迪取得了应用电磁感应技术的非接触感应式充电器专利;中兴通讯与东风汽车开展合作,并于2014年正式启动我国第一条投入商用的无线充电公交示范线,其中大功率无线充电技术完全使用我国自主知识产权,率先实现新能源汽车无线充电技术产业化。

  二是标准起草加快推进。中国有着全球最大的消费电子市场,但国内尚无规范的无线充电技术标准,目前国家和企业层面都在加快推进无线充电技术标准的制定。从国家层面来看,2011年,中国通信标准化协会启动了有关无线充电技术和标准的研究,其《近场无线充电技术研究》已获报批,已完成《无线电源设备电磁兼容标准性要求和测量方法》、《短距离及类似设备电磁照射符合性要求和评估方法》、《无线电源设备技术要求和测试方法第1部分:通用要求》报批稿;2012年,中国国家标准化管理委员会批准了第一个无线充电国家标准计划——电子信息产品低功率无线充电技术规范;全国信息技术标准化委员会也启动相关工作,由中国电子、桑菲通信、电信研究院、海尔等9家企业和机构组成标准起草小组,进行频率、协议方面的研究以及标准草案的起草。从企业层面来看,“INPOFI无线充电联盟”接纳了包括手机、平板电脑、相机等企业通过战略合作协议方式加入,共享INPOFI智能技术方案。但硅展科技公司要想在国际上推广自己的INPOFI智能无辐射充电技术标准,势必受到多方阻击。因此政府对推动自主无线充电技术标准、打破国外技术垄断具有至关重要的作用。

  三是参与国际竞合能力亟待增强。从关键领域看,国外无线充电技术最主要的领域是充配电及电能存储、磁体材料、电动汽车;国内有将近一半比例集中于充配电及电能存储,其他领域分散而零碎,特别是电动汽车领域较少。从区域发展来看,目前中国市场上有25%左右的无线充电专利来自于日本、中国台湾、美国、韩国、德国等地区。此外,广东、江苏、北京、浙江、上海、山东等六个地区无线充电专利申请数量占据中国本土申请总量的80%左右。从竞争机构看,国内前20强中,有国外企业9个、国内企业5个(国家电网、海尔、中兴通讯、奇瑞汽车等)、大学6个(天津工业大学、东南大学、浙江大学、重庆大学、华南理工大学、清华大学)。相比较而言,国内企业的实力较弱。

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无线充电技术特点

01主要优势

  1. 利用无线磁电感应充电的设备可做到隐形,设备磨损率低,应用范围广,公共充电区域面积相对的减小,但减小的占地面积份额不会太大。

  2. 技术含量高,操作方便,可实施相对来说的远距离无线电能的转换,但大功率无线充电技术的传输距离只限制在5米以内,不会太远。

  3. 操作方便。

02主要劣势

  1. 虽然设备技术含量高,但设备的经济成本投入较高,维修费用大。

  2. 因实现远距离大功率无线磁电转换,所以设备的耗能较高。随着无线充电技术设备的距离和功率的增大,无用功的耗损也就会越大。

  3. 无线充电技术技术设备本身实现的是二次能源转换,也就是将网电降压(或直接)变为直流电后在进行一次较高频率的开关控制交流变换输出。由于大功率的交直交电流转换是进行电能的二次性无线传输原因,所以电磁的空间磁损率太大。


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