动态无线充电

动态无线充电（精选十篇）

动态无线充电 篇1

近年来,无线电能传输技术(wireless power transmission,WPT)取得了飞速发展,特别是磁耦合方式[1,2,3,4]的无线输电技术。此方式通过收发功率线圈之间的高频交变磁场耦合传递能量,已成功应用在电动汽车(electric vehicle,EV)的静态无线充电场合[1]。为了进一步解决电动汽车的动力电池瓶颈[2],动态无线充电方案(dynamic wireless power transmission,DWPT)被提出[3,4,5]。此种方案设想在行车道路下铺设供电线圈链,给行驶中的电动汽车不间断无线充电,从而有效延长行驶里程。

动态无线充电道路(DWPT powered roadway)根据原边线圈的布局方式可分为长导轨式[6]和分段式[7,8,9]。长导轨式线圈布局保证在较长一段移动距离内功率的稳定传输。但是长导轨式带来电磁泄漏问题,全线供电导致导轨损耗严重,多负载的随机加入对单机原边电源容量提出高要求。分段式布局则是将多个相对小型的发射线圈依次排开,组成发射线圈链。由于其采用局域供电方式,只对车身正下方的原边线圈激励,因此电磁泄漏相对小很多,并且减少不必要的损耗和电源单机容量,是另一种可行方案。新西兰奥克兰大学[3]、美国橡树岭国家实验室[4],以及国内重庆大学[7]、哈尔滨工业大学[8]、东南大学[9]等团队均对此种DWPT做了探索研究,包括分段式线圈结构优化、系统效率分析、补偿网络参数选取、功率控制方法等。由于分段式导轨的原边线圈数量激增,原边线圈链供电模式变得相对复杂。需要对电动汽车进行精确定位,然后实时激励相应原边线圈,实现线圈链的有效接力。一些探测副边负载和互感耦合关键参数的方法被提出[10,11]。它们均是从原边激励出发,然后基于理论模型,通过比较复杂的算法,求取WPT系统当下的负载值和耦合系数k。此类方法需要对高频电压电流量进行高速和高精度采样,特别是需要获取相位关系,并对控制器处理速度提出很高要求,只适用于静态无线充电或者耦合情况缓慢变化的场合。文献[7]提出在发射线圈的交界处安装用于探测电动汽车的位置传感器,通过对两个相邻原边线圈投切控制,实现连续切换供电。文献[8]则通过安装在发射线圈中央的高灵敏度三轴磁传感器测量垂直方向的磁场强度,实时定位副边线圈,从而实现原边线圈链的接力。这两种接力方案加入额外传感器,具有较高的探测精度,但都属于被动识别电动汽车的方案。考虑到实际情况,当其他不需要充电的汽车行驶在充电道路上时,所安装传感网络有可能使DWPT系统引起误判。因此有必要考虑一种主动识别的接力方案,只有当原边接收到副边请求指令后,才做出投切控制。

为此,本文提出一种基于副边主动激励探测的具有分散控制逻辑的接力方法。该方法基于现有DWPT系统,无需增加额外传感器和集中信号线路。原边加入探测回路,充分复用原/副边功率线圈。当电动汽车提出供电需求时,副边发送主动激励信号,原边根据探测信号和分散控制逻辑实现线圈链的接力。这种主动识别和发送请求指令的方案更适合实际道路情况。因为在充电道路上可能还有其他种类汽车在行驶,主动识别和发送请求指令则可以保证只对需要无线充电的电动汽车下方的原边线圈激励,实现精准定位和局域供电。为了达到较好的探测激励效果,将探测激励电路配置成串—串型补偿网络,并利用了串—串型补偿网络的频率分裂特点,将探测激励频率设置在频率分裂点上,增强了探测信号强度,并且避免副边激励过流问题。

1 接力动态无线充电系统架构

多个相同的发射线圈依次铺设在路面下,形成长距离的充电道路。当接收线圈从上面经过时,依次与每一个发射线圈耦合,形成接力的分段式动态无线充电体系,如附录A图A1所示。

动态无线供电系统由原边激励源、程控投切开关、发射线圈、原边探测电路、接收线圈、副边补偿网络和接收电路组成,如图1所示。

程控投切开关根据投切信号,将原边线圈投切到原边激励源或者探测电路。原边激励源由高频逆变单元和串联补偿单元组成。一个原边激励源供给多个依次相邻的发射线圈,但是同一时刻最多允许一个发射线圈接入原边激励源,而其他发射线圈则投切到探测电路。由电流互感器采样的原边线圈电流峰值送入原边控制器,作为投切判断的参考信号。当采用标准模具制造发射线圈时,其电感量基本一致,即L1=L2=L3=LP,因此可采用一个主功率补偿电容CP分时补偿发射线圈。原边探测电路由电容Cdet和电阻Rdet组成。由于探测功率远小于主传输功率,因此原边探测电路可选择小功率容量的器件。副边接收电路则由串联补偿电容CS、整流/逆变全桥、DC/DC变换器组成。

系统主要工作在两种状态。第1种为正常传输电能状态,如图2(a)所示。图中:Uin(f0)为等效原边激励电压;Rac为等效交流负载。小车下方的发射线圈投切到激励源,产生交流耦合磁场,能量从原边传递到副边。副边接收到的高频电能整流为直流电,经过DC/DC变换器调节,供给车载电池及负荷单元。

第2种为副边主动激励状态,如图2(b)所示。图中:Udet(fdet)为等效副边激励电压。当小车请求无线充电时,则副边全桥工作在逆变状态,发出主动激励信号,能量从副边向原边传输。如果下方的原边线圈正好投切在探测回路,则原边线圈产生感应电流。因此只需要实时检测原边线圈电流峰值,就能实现对副边线圈的主动识别,结合适当的原/副边控制流程,即可实现原边线圈链的接力。当小车到来时,则下方的发射线圈投切到激励源,处于正常传输电能状态,而其他发射线圈则投切到探测回路;当小车离开后,通过检测输入直流电流判断此发射线圈空载,重新投切到探测回路,停止激励。为了对激励源实时保护和实现线圈电流的控制,一般在电源输入侧和发射线圈加入电流传感器,如图1所示。所述接力方案充分复用原/副边功率线圈、副边补偿网络和电流传感器,无需增加集中信号线路,因此不会较多增加成本。另外原边探测回路形成RLC滤波环节,只有对一定激励频率和功率起到响应,增强了对周围环境的抗干扰能力。

2 接力系统电路参数

基于互感耦合模型,两种工作状态下的系统简化电路分别如图2(a)和(b)所示。两种等效电路均为串—串补偿网络。下面对电路参数选取进行理论建模分析。

2.1 主功率回路参数选取

在正常传输电能状态下,为了增加传输功率,一般设置副边补偿网络在激励频率下为完全补偿状态[12]。则副边到原边的映射阻抗为纯阻性,其表达式为:

式中:ω0=2πf0;为原副边功率线圈之间的互感,其中LS为接收线圈自感;ZLP=jω0LP为原边功率线圈感抗;x=k2Qload为互感耦合系数k对映射阻抗Zr的影响,其中Qload=ω0LS/Rac为副边带载后的品质因数。

则系统的传输功率表述为:

式中:为原边线圈电流。

在动态无线充电过程中,由于互感耦合系数k在快速变化,使得映射阻抗Zr_tran变化,从而改变了Zr_tran获取的有功功率,即系统传输功率Ptran。为了增强系统抗偏移能力,同时避免空载时出现过流问题,设置原边补偿网络为弱感性,其表达式为:

式中:γ1=ZP/ZLP为原边补偿系数,表示原边补偿网络的补偿程度。原边串联回路阻抗ZP与映射阻抗Zr_tran串联分压。由于串联分压作用使得系统具有抗偏移能力,即传输功率不会随功率线圈耦合波动而剧烈变化。

从激励源向副边看过去的总输入阻抗为:

则原边线圈电流为:

将式(5)代入式(2)可得传输功率表达式为:

式中:g(γ1,x)为功率传输因子,其描述了传输功率随耦合系数k的变化趋势。在xopt=|γ1|时,传输因子存在极值gmax=1/(2|γ1|)。在不同补偿系数γ1下,传输因子g(x)随参数x变化趋势如附录A图A2所示。当x取在极值点xopt附近时则功率变化较为平坦。g(x)的此特性为平缓传输功率波动提供了可能。合理设定补偿系数γ1,使得k对应的x参数在极值点xopt附近,从而保证在设定偏移范围内传输功率平稳。更详细机理可参考文献[13]。

2.2 探测回路参数选取

在副边主动激励状态下,副边全桥工作在逆变状态,如图2(b)所示。为了避免副边空载过流,则副边主动激励频率fdet应偏离f0。由互感耦合模型可得原副边线圈电流分别为:

式中:ωdet为探测激励频率;ZS_det=jωdetLS+1/(jωdetCS)为副边补偿回路阻抗;ZP_det=jωdetLP+1/(jωdetCdet)+Rdet为原边探测回路阻抗;Zr_det=(ωdetM)2/ZP_det为原边探测回路映射到副边的映射阻抗。

令两种工作状态下的激励角频率关系为ωdet=λω0,则副边回路阻抗变为:

式中:为激励频率f0下接收线圈感抗。

原边串联补偿电容设定为:

式中:C0=1/(ω02LP)为原边完全补偿串联电容;β为原边探测电容Cdet与完全补偿电容C0之比。

则原边探测回路阻抗变为:

空载状态下k=0。将式(8)代入式(7)可得,副边线圈空载电流为:

在原副边线圈正常耦合时,对应k=kset,则要求此时耦合到原边探测回路的感应电流最大。为了达到这一目的,充分利用串—串补偿网络的频率分裂特性。设置副边探测激励频率fdet工作在等效串—串补偿拓扑(如图2(b)所示)的频率分裂点上[14,15],用以增强探测信号强度,同时避免副边激励过流问题。则原边到副边的映射阻抗Zr_det与副边补偿回路阻抗ZS的电抗部分相消,如式(12)所示。此时双边线圈电流同时达到最大值。

将式(8)至式(10)代入式(12)可得β和λ关系为:

式中:Qdet=ωdetLP/Rdet为原边探测回路的品质因数。

将式(8)至式(10)、式(12)代入式(7)可得副边激励电流和原边感应电流最大值分别为:

式中:为满载条件下的副边线圈电流值。

在设定了原副边线圈电流阈值的情况下,根据式(11)和式(13)、式(14)即可选取探测电路参数。

3 接力控制流程

接力控制策略主要基于三个工作模式:副边主动激励探测模式、原边空载检测—待机模式、线圈链供电模式。

3.1 副边主动激励探测模式

副边需要有主动激励模式用来发送请求充电指令,激活处在小车下方的原边线圈。因此副边全桥采用金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)与整流二极管并联形式。当正常传输电能时,副边全桥工作在不控整流状态;当无法正常接收电能,而副边提出供电需求时,则启动副边主动激励模式,副边全桥进入逆变工作状态,使得原边线圈感应到电流,从而投切相应原边线圈到激励源,系统进入正常传输功率状态。

为了减少探测功率损耗,副边主动激励信号以周期短脉冲形式发送,在一次激励脉冲后,副边停止激励,开始接收电能。如果检测到传输功率,则副边停止主动激励模式,转而正常接收电能状态,具体流程如图3所示。为了避免原/副边线圈同时激励,原边从检测到感应电流到做出投切动作的延迟时间段tdelay必须长于副边主动激励脉冲宽度tdet。原副边具体控制时序如图4所示。

3.2 原边空载检测—待机模式

通过对原边激励源的输入直流电流Iin采样来判断投切到激励源的原边线圈是否为正常传输电能或空载状态。如检测到此原边线圈长时间处于空载状态,则原边线圈切换到探测回路,并原边激励源停止工作,进入待机模式,减少功率损耗。

3.3 接力线圈链供电模式

接力线圈链供电模式如附录A图A3所示。开始时刻所有发射线圈链处于停机状态。原边线圈投切到探测回路。当接收线圈第1次运行到发射线圈链上方,副边采用主动激励探测模式,原边线圈检测有感应电流时刻,就启动相应原边线圈供电。当检测到当前线圈从满载变为空载时,则说明接收线圈离开了当前发射线圈,向下一个线圈行进,此时通知邻近发射线圈投切,准备接收线圈到来,开启线圈链供电模式(邻近的第2个线圈及时开启)。连续接收到传输功率的副边则可停止主动激励探测模式。这样保证移动中的接收线圈下方对应的原边线圈一直处于传输电能状态,而其他原边线圈则处于停机探测状态,实现原边线圈的局域供电和中继接力。

4 实验验证

为了验证所述接力方法,搭建了5∶1缩比尺寸的分段式动态无线充电演示平台,如附录A图A4所示。8个发射线圈依次首尾相接,铺设成环形充电跑道。在充电跑道旁依次放置3个原边激励源。每3个相邻的发射线圈复用一个原边激励源,同一时刻最多只投切一个发射线圈接入激励源。小车沿充电道顺时针单方向行驶,则依次循环驶过1-2-3-4-5-6-7-8-1发射线圈链。

系统电路具体结构如图1所示。原边输入直流电压为Ud1=50V,原边逆变桥定频工作,产生f0=200kHz交流激励电压Uin。副边DC/DC变换器采用Buck型电路,其输出端连接至车载锂电池,Ubatt=12V。按照第2节所述方法选取的电路参数如附录A表A1所示。

副边整流侧双向开关复合管采用IRFB4510PbF型号金属—氧化物—半导体(MOS)功率管。考虑到MOS管内部具有并联二极管,演示平台采用单个MOS管来实现双向开关复合管的功能。当MOS管无脉宽调制(PWM)驱动时,则内部并联二极管工作在不控整流状态;当MOS管有PWM驱动时,则开关管工作在逆变状态。

4.1 线圈耦合特性

功率线圈尺寸参考实际电动汽车和行车道路尺寸需求,如附录A图A5(a)所示,建立5∶1的物理缩比模型。一般中型轿车的长宽尺寸约为5 m×2m,单行车道标准宽度一般为3~3.5m,特殊情况下可以减小到2.7m。设计分段式原边线圈的布局方式,保证同一时刻一个发射线圈最多只对一辆电动汽车供电,从而避免多负载波动的影响。发射线圈的宽度小于电动汽车的自身长度。则单个发射线圈的实际长度可取为3 m,宽度取为1 m。对应的5∶1缩比模型中发射线圈长宽尺寸为60cm×20cm。由于实际汽车离地间隙约为20cm,故收发线圈的垂直间隙保持为4cm。考虑到实际汽车侧向偏移距离要求大于30cm,则接收线圈的侧向最大偏移距离为6cm。

为了保证沿行进方向上和较大侧向偏移范围内功率线圈尽可能耦合平稳,设计了不对称矩形结构的收发线圈,实物如附录A图A5(b)所示。当接收线圈在要求的偏移范围(侧向偏移百分比30%)内时,实测互感耦合系数在0.1~0.2范围内变化,如附录A图A5(c)所示。所有功率线圈都由模具制成,保持了线圈的电感参数一致性。

4.2 接力测试

为了检测参数设计是否合理,分别在原副边线圈未耦合和正常耦合两种情况下,扫描副边全桥的逆变频率fdet,观测原副边线圈电流的变化趋势,如图5所示。

实测频率特性与理论曲线基本一致。在fdet=215kHz点处,实验值略低于理论值,由于理论模型并没有考虑变换器和线圈的损耗,存在一定偏差。在fdet=215~240kHz范围内,线圈电流随探测频率减小而增加。这是因为串—串型探测电路的共振频率分裂点在215kHz左右,越靠近共振频率分裂点,则传输功率增强。考虑到激励探测要求,实验设定副边激励频率fdet=215kHz。

当小车下方无原边线圈时,则副边线圈电流峰值为1.4A,电流波形如附录A图A6(a)所示。副边线圈空载电流滞后于激励电压Udet相位π/2,这是由于探测激励频率fdet偏离f0,使得副边补偿回路ZS_det表现出感性,从而避免副边线圈空载过流。当小车正下方有发射线圈时,副边线圈激励电流峰值达到1.64A,其波形如附录A图A6(b)所示,与激励电压Udet基本同相,说明原边到副边的映射阻抗Zr_det的电抗部分与副边补偿回路ZS_det正好相消。原边探测回路的感应电流峰值为0.94A,其波形如附录A图A6(c)所示,与激励电压Udet基本同相。这是由于原边感应电压Uoc_det超前于副边激励电流,即超前于副边激励电压Udet,而原边探测回路阻抗ZP_det正好为阻感性。所测试实验电流值及电压电流相位关系均与理论模型接近,说明了所设计的系统电路满足设定的探测要求。

当原边主功率电路工作时,探测回路存在一定噪声,会影响原边控制器探测小车主动激励信号的准确度。因此需要根据背景干扰噪声和正常的感应探测电流之间取合理阈值。一般取为原边正常的感应探测电流峰值的1/2,实验中设定判断阈值为0.5A。

设置副边主动激励探测周期为Tdet=500 ms,前tdet=10 ms内副边全桥激励,发送请求信号,Buck变换器停止工作。剩余480ms则全桥停止工作,Buck变换器启动,检测充电电流io,判断是否接收到传输功率。如果接收到传输功率则表示原边已经识别请求,开始正常传输功率,副边则停止激励探测模式。实测副边全桥和Buck的PWM波形如附录A图A7所示。这里设置激励探测周期较长是为了方便观测实验效果,可进一步缩短探测周期。由实测电流和激励时序可知,探测功率为,因此所需探测功率较小。

附录A图A8为两种工作状态之间切换的实验波形。在开始的t1时间段内系统为主动激励探测状态。io会出现周期性的负电流,表示车载电池周期性地供给副边主动激励。在tsw1时刻,小车下方发射线圈检测到请求充电信号,则发射线圈投切到原边激励源,系统进入正常传输功率状态。t2时间段内接收到稳定的充电电流。在tsw2时刻,小车驶过发射线圈,充电电流降为零。在接下来t3较短延迟时间段内,副边连续监测到充电电流为零,则说明正常功率传输状态中断,在t4时间段内则副边重新开启主动激励探测。

小车在充电道路上行驶一圈,其输出充电电流波形如附录A图A9所示。从图中可看出,充电电流波形存在8个平稳峰值平台。这说明当小车依次行驶过8个发射线圈上方时,系统正常传输电能,给车载电池充电。最大输出充电电流达到3A,最大接收功率为36 W。正常传输功率状态下,原边直流电源供给功率约为50 W,则系统从原边直流输入至副边车载电池负载的传输效率为72%。由于演示平台功率较小,故传输效率较低,如果进一步增大功率等级,传输效率会进一步提升。上述测试结果说明,所述接力方法在不增加较多成本的情况下可实现原边线圈链的接力和局域供电管理,达到给移动小车不间断无线充电的效果。

5 结语

针对分段式动态无线充电系统的原边线圈链供电管理的需求,本文提出了一种基于副边主动激励的具有分散控制逻辑的接力方法。该方法基于现有DWPT系统,复用了原副边功率线圈和部分补偿网络,无需增加额外传感装置和集总信号线路。搭建了5∶1缩比尺寸的分段式动态无线充电演示平台,实现了8个原边线圈的有效接力。在发射线圈上方,小车平稳接收电能。实验结果表明了所述方法的可行性,为分段式动态无线充电系统的原边线圈链投切供电管理提供了一种解决思路。

无线充电原理详解 篇2

由于无需使用充电线缆，给消费设备进行无线充电有许多吸引人的地方。也许应该说得更明白点，无线充电的目的是通过不同于有线或连接器等的创新方式提供给设备电池充电的新途径。

无线充电方式在诸如电动牙刷等许多消费设备中已经非常流行，其中最主要的一种方法是基于麦克斯韦定律的感应方法，即来自某个线圈的磁场变化会在另外一个与之耦合的线圈中产生电流。虽然使用磁场的感应方法适合类似上述这样的许多小设备，但在平板电脑和智能手机等更加现代的消费电子设备中使用这种方法面临着诸多工程设计挑战。

随着馈送给电池的功率的增加，相对效率或摆放耦合线圈的灵活性要求也会提高。这种感应方法的主要考虑因素是如何控制产生或“发送”能量并使用感应磁场传送给“接收”设备的信号所产生的电磁干扰(EMI)。接收设备随后将磁场能量转换为电能再给电池充电。Wi-Fi、蓝牙、近场通信(NFC)、蜂窝系统和调频广播是众多无线语音和数据连接方法中的一些例子，它们可能都会受到这种电磁场的干扰。

当然，另外一个考虑因素是使功率传输效率尽可能高，即使在更高功率电平和更宽摆放误差等挑战约束条件下。在过去几年中，业界对于如何实现感应充电技术提出了许多新的想法，但规避EMI影响的进展不像期望的那样顺利，因为达到EMI兼容需要付出艰巨的努力，

最近这方面的挑战得到了进一步发展，这得感谢无线充电联盟(WPC)的不懈努力。WPC是美国消费电子(CEA)组织的一项行动计划，目的是鼓励进一步研究开发，使无线充电更加引人注目，从而得到更大消费群体的青睐。

感应方法的另外一个众所周知的约束条件是需要精确地配对充电器和被充设备，这可以用电动牙刷例子来很好地描述。充电器基板上有一个小塔，从放置待充电牙刷的基板上升出来。使用这种方法可以使两个线圈完美匹配，以确保磁能的传输。任何稍微的不对齐都会完全丢失功率传输能力。在使用诸如智能手机或平板电脑等要求稍大功率电平的其它设备时，这种使用方法显然很不方便。最后，存在如何解决电热损失的问题。充电器功率越高，热量损失越大。这对温度高度敏感的锂离子电池来说更是个问题，很可能会在今天外形高度紧凑的消费电子设计中产生元件应力。

使用电容架构是可以代替磁场无线充电的另外一种无线充电方法，这种方法的原理类似于电场的麦克斯韦定律。这种概念已经被村田公司采纳，并被广泛引入新的设计。该公司的做法是使用准静电电场并通过电容传输能量，这种电容则是由属于物理上分开的器件的两个电极组成。将这两个器件彼此靠近就能形成一个电容阵列，并用来传输能量。图1a显示了这种方法的基本原理。

无线充电时代来临 篇3

无线充电给人感觉有点科幻的色彩，其实不然。无线充电，也就是非接触式充电技术其实并不是一项新技术。在很早以前，有些电动牙刷、电动剃须刀、无绳电话等产品就已经开始采用这种技术来充电。

无线充电的原理非常简单——中学时代我们都学过法拉第电磁感应定律：闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动，导体中就会产生电流，这种现象叫电磁感应现象，产生的电流称为感应电流。无线充电就是利用这个原理，通过磁场来进行电力的传输。基本上整个无线充电系统包含了两件东西：一个是插在插座上的发射器，也就是通常我们说的充电器，另一个则是嵌入电子产品上的接收器。在发射器和接收器内各有一个饿圈，发送端线圈连接有线电源后，电流通过线圈，便会产生磁场，发出电磁信号，接收线圈感应到发送端的电磁信号后，就可以将其转换成电流来为电池充电。

如今，无线充电散术商用于智能手机，今后也将逐步用于数码相机、平板电脑以及电视等输出功率较高的产品上。只需要一个充电器，可随时随地在办公室、机场、咖啡店里无线充电。随时随地为移动设备充电将不再是一个梦想，剪断电器最后一根电线的梦想已经渐行渐近了。

不过，为了使得不同厂商的产品和设备之间能够互相兼容，无线充电技术还需要一个全球统一的标准，于是，01在2010年应运面生。

01是全球首个推动无线充电技术的标准化组织——无线充电联盟推出的无线充电标准，具备便捷性和通用性两大特征。首先，不同品牌的产品，只要有一个Q1的标识，都可以用01无线充电器充电。其次，它攻克了无线充电通用性的技术瓶颈，在不久的将来，手机、相机、电脑等产品都可以用01无线充电器充电，为无线充电的大规模应用提供了可能。

2011年12月9日，欧洲首个支持全球通用01标准的无线充电技术品牌ZENS在北京召开发布会，宣布从即日起正式登陆中国。

ZENS的产品主要将通过京东商城、零售店以及数百家苹果授权经销商面向用户发售，并在北京等地的知名咖啡店建立产品体验中心。目前ZENS的产品主要包括单座无线充电器(可充一台手机)、双座无线充电器(可同时充两台以上手机)的无线充电产品。

无线充电技术被外媒评价为21世纪最值得期待的高科技之一，它的创意的确为人类的生活带来了便捷，我们相信技术的进步将令无线充电日益成熟并拥有更广阔的天地。

无线充电 篇4

无线充电技术在移动设备上的应用

电磁感应的无线充电技术, 重点的应用方向是手机、平板电脑、笔记本电脑, 无线充电技术, 在手持设备领域最早的, 就是充电底座。Palm公司将无线充电应用在手机上。利用电磁感应原理, 用一个带线线圈的底座, 为手机充电。不需要用电线传输电流, 就能进行充电。手机随手放上去就可以充电。把手机放在充电底座上, 进行无线充电。还有HP Touch PAd的充电底座。

基于电磁共振的无线充电技术, 可以提高能量的传输率和传输距离。美国宾州的一家公司, 基于电磁共振原理研发的Powercast技术, 已经和超过百家的主要电子产品公司, 签下内容尚未公开的合作案, 包括一些耗电量“相对较低”的电子产品, 诸如手机, MP3随身听、平板电脑、还有汽车零件、温度感应器、助听器、甚至医疗仪器。

无线供电系统是一个嵌入电子产品上的接收器, 电源就能够瞬间自发射器传到对应的接收器。

未来的方向:无线供电与接收电池

无线充电技术, 可进行远程非接触充电, 对手机和平板电脑充电, 实行移动互联。利用磁场共振在充电器与设备之间传输能量, 线圈和充电器在充电器和设备之间形成共振。这项技术目前的传输距离可达到几米远。

解决无线充电的距离和功率问题后, 无线充电将演变为无线供电, 未来的手机和平板电脑, 将内无线供电接收器模块。

另外, 无线供电技术的发展, 也会给传统的电池带来革命。传统的电池仅仅作为储能装置, 容量已经不再重要, 内置无线供电接收器装置将有更广泛的适应性。在任何廉价的电子设备上, 装上了这样一颗电池, 就立即拥有了无线供电的功能, 放在手机里, 手机就可以无线充电。

无线充电，在路上 篇5

经历过从技术拟定、标准建立，再到相关解决方案和产品研发这样的一个筹备期，如今，无线充电联盟正在逐渐向应用倾斜。无线充电联盟副主席邓蕴美日前在接受采访时介绍说，未来无线充电联盟将会分阶段地向不同领域进行拓展。首先，无线充电联盟会在消费电子领域，包括手机、蓝牙耳机等设备上推广Qi标准；之后，会在机场、咖啡店、电影院等公共场所设立Qi标准无线充电设施；最后，Qi标准将进入更特殊的领域，比如小型医疗设备、军用设备等。

除此之外，无线充电联盟还在将Qi标准与车载充电、智能家居等新应用结合在一起，并由此“诞生”了可充电汽车扶手箱、充电桌子等新奇外设。“未来我们的无线充电板可以做得非常小巧。”邓蕴美表示，“甚至有可能将无线充电技术与NFC（Near Field Communication，近场通信）等其他移动通信技术整合在一块电路板上。”

浅谈无线充电技术 篇6

1无线充电技术的起源与应用现状

1.1无线充电技术的起源

谈起无线充电技术, 那必须先提一提电与磁的鼻祖。

早在1820年安培发现电流可以产生磁场开始, 点与磁的关系就吸引了许多当时顶尖的物理学家的关注, 1831年法拉利发现了电磁感应现象;1864年麦克斯韦建立了统一的电磁场方程, 用数学的方法描述电磁辐射。至此, 电磁学的理论基础已被奠定了下来。之后基于电磁学理论的发明创造层出不穷: 特斯拉改善了赫兹的微波发射器, 几年后他展示了用无线传输的荧光照明灯, 后来, 他又通过天线方式点亮了一个单级白炽灯从而又申请到了天线的专利……

尽管如此, 他对于无线电能传输的研究还是宣告失败!随着无线充电的需求越来越大, 近代以来对它的探究从未停止。1988年的约翰鲍尔斯教授完成了一个著名的实验。在1米的距离给60 W的灯泡充电, 效率高达75%。这标志性的实验决定了无线充电技术的出现。

1.2无线充电技术应用现状

在前一段时间, 三星推出了新一代的手机, 即Galaxy系列S4, 宣布支持Qi无线充电技术, 同时, 微软大力支持WP8手机Lumia 920/820同时也支持此标准。虽然无线充电在当前已不是所谓的新名词, 但是可以行到这些手机大腕的支持, 也可见这一种趋势是一种必然。

当然对于无线充电事业而言, 这只是开始的第一步而已。而这一项技术在将来, 特别是在移动设备上, 更是一个大的发展方向趋势, 更是各大厂商都要研究的重点、热点技术。实际上, 在电子商品发达的今日, 每一个人手上都有不同类型的充电器、充电线, 这在使用起来非常不方便。而这一项技术就是为了解决这个问题。无线充电技术可让大家摆脱这些线的问题, 同时也可以解决充电器的通用性问题。

只是现在无线充电技术未被大规模运用, 分析原因在于当前不同终端对于供电参数要求是不同的, 全球均没有形成一个通用的标准。所以当前无线充电技术也中局限于部分手机、部分地区。 不管是手机行业或是其他的巨头、组织、团体来说, 都在积极开发有关技术。将来无线充电不单单是可脱离“线”的束缚, 还可以在未来让手机不用去刻意进行充电, 只需要放在口袋或是桌子上就可以保持电流不断输入到设备当中。

2近代无线充电技术的起源

近代无线充电技术的起源由多种因素相辅相成, 该文在此着重分析三个因素:电网系统的改善, 电源技术的发展以及无线充电的需求提高。

2.1电网系统的改善

人们可以较方便的从电网获得电能的供应, 因此跨区域的长距离无线电能传输的需求大大减小, 甚至消亡了。

2.2电源技术的发展

伴随着航空技术的发展, 航天电源的需求增加, 电源技术也得到了发展与完善, 开关电源理论以及半导体器件的制作也同时得到了发展, 人们可以更加容易的使用高频开关电源。

2.3无线充电的需求提高

智能手机的普遍应用, 使人们在智能手机的电能需求方面也不断提高, 因受限于电池技术的落后, 智能设备续航时间成为了改良电池技术发展的最大问题, 因此无线充电技术备受关注。

3四种无线充电方式的比较

随着越来越多的科学家开始研究无线充电, 几种不同风格的流派也随之诞生。从大体上来讲, 目前有四种研究的方式:电磁感应式、磁共振式、无线电磁波式以及电场耦合式。在此将先分开介绍四种方式, 再一起进行比较。

3.1电磁感应式

顾名思义, 它的根本原理是利用电磁感应原理, 类似于在变压器原理, 在发送端和接收端各有一个线圈, 初级和次级, 初级线圈上通过一定频率的交流电, 次级线圈中便产生一定的电流, 从而将能量从发送端转移到接收端。 实际上, 这一种方式也实现了在现实中的运用, 我国的比亚迪公司早在2005年就申请了非接触感应式的充电器专利, 这项专利就是使用了电磁感应技术。

3.2磁共振式

它的组成分为能量发送装置和能量接受装置两个部分, 两个发热装置调到相同的频率, 或者说在一特定的频率上共振, 就可以交换彼此的能量, 它的原理与声音的共振原理相同, 排列在磁场中相同振动的线圈, 从一个向另一个充电, 其传输的功率大, 适合远距离。

3.3无线电磁波式

即是无线电波式充电, 它的原理类似于早期使用的矿石收音机, 主要由微波发射装置与接收装置组成, 利用高频电磁波进行无线充电, 表现得像无线上网一样, 能随时随地充电, 可捕捉到由墙壁弹回的无线电波的能量, 在随负载作出高速的同时, 确保稳定直接电压。这项发展比较成熟, 但虽然说大强度电磁波对人体的影响尚未明确, 但是要实现这种方式充电, 空间中的电磁能量会远超国际标准。

3.4电场耦合式

它的原理是利用通过沿垂直方向耦合的两组非对称偶极子而产生的感应电场来传输电能, 与其他方式原理相差较大的地方是它的各部分电压推移变化.其特点在于: (1) 充电位置自由; (2) 电极薄, 电极部温度不会上升; (3) 适合短距离充电; (4) 转换效率较高。

从效率上来考虑, 应该选择电磁感应式, 然而这种方式的传输距离较短, 比较适合较短的距离充电, 受限制于只能在特定的位置才能精确地充电。如果要实现长距离充电, 那么磁共振式和无线电磁波式便是更好的选择。然而这两种方式有一个共同的缺点, 那就是对人体的伤害比较大。所以在投入实际生产应用时, 必须同时考虑到以上因素, 根据不同人群的需求, 权衡出比较适中的方案。

4结语

对于无线充电而言, 到底什么才是要解决的问题, 笔者认为应该是接收电力要迷你化, 起码可在手机作为内置系统, 安装在智能手机处理器方面。 随着科学技术的发展, 人类已经成功的从有线通讯时代步入无线通讯时代, 普及无线充电的时代已经到来, 无线充电技术目前有四种较为成熟的方式, 电磁感应式成功的为无线充电开辟了市场, 电磁共振式的理论基础则更为牢固, 共振式原理随着技术的发展也可以实现无线充电, 相信在不久的将来, 无线充电会走进千家万户, 人们也不会为“线”所烦恼。

参考文献

[1]宋显锦, 韩如成, 宋晓鹏.无线电能传输的发展历史与应用现状[J].山西财经大学学报:高等教育版, 2010 (S1) :104-105.

[2]姜竹胜, 陈军.无线充电技术在电动汽车上设计及应用[J].电气时代, 2012 (5) :26-28.

电动汽车无线充电技术 篇7

随着电动汽车的日益推广, 如何使电动汽车的充电变得更为便利也成为了科研人员重点关注的课题之一。如今, 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。这种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。

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。

无线充电技术标准浅析 篇8

1 无线充电技术应用现状

前不久三星推出的新一代Galaxy系列手机S4, 宣布支持Qi无线充电技术, 微软大力支持的WP8手机Lumia 920/820也支持Qi标准。尽管无线充电已经不是什么新鲜名词, 但能得到行业大腕三星、诺基亚如此支持, 足见其趋势已成必然。当然, 对于无线充电事业来说, 这只是第一步。毫无疑问, 无线充电将会是未来移动设备的一个发展方向, 也是各大厂商争相研究的热点技术之一。其实在电子产品如此普及的今天, 相信我们每个人手头上都有若干个不同种类的充电器和充电线, 使用起来非常不便。而无线充电技术正是为解决这个问题而产生的。无线充电技术一方面能让用户摆脱线缆的困扰, 另一方面也能解决充电器的通用性问题。

但是, 正如我们所看到的, 无线充电技术还没有被大规模应用, 其原因主要在于目前不同终端对供电的参数要求不同, 全球尚未形成一个通用的无线充电标准, 因此, 无线充电也只能局限于部分手机和部分地区。无论是手机行业的巨头还是一些组织或者团体, 都在积极研发相关技术, 无线充电不仅仅是不用线, 未来是让手机不用刻意充电, 只要揣在兜里或者放到桌子上, 就能保持电流源源不断的输入。美国知名的IT杂志《连线》预测, 到2013年下半年, 无线充电技术有望普及。因此从大众接受度以及舆论来看, 无线充电技术的发展将有一个不错的环境。

2 无线充电技术三大标准

从基础技术而言, 无线充电技术源于无线电力输送技术, 无线输电的提出最早要追溯到1889年物理学家尼古拉·特斯拉。无论不同的无线充电技术的差别有多大, 它们背后的原理就是我们熟知的电磁感应现象, 具体来说就是利用变化的电场产生变化的磁场, 再利用变化的磁场产生电场, 从而产生电流为设备充电。

我们都知道一根通电导线周围产生的磁场的方向垂直于电流方向, 而且通常情况下是非常微弱的, 但是如果将导线绕成圆形或者是螺形的话, 相同方向的磁场便会叠加, 从而形成较强的磁场。其实无线充电的原理就类似于我们生活中常见的变压器, 都是利用一个线圈中的电流在另一个线圈中产生电流。但区别于变压器通过铁芯传导磁场的方式, 无线充电设备中的感应线圈经过了一些特殊的调整, 是以空气为介质传导磁场的, 从而产生感应电流。同时, 和声音的共振一样, 两个线圈感应也需要设置一个共振频率, 使接收线圈和输出线圈的频率一致, 从而在输出线圈电流很小的情况下, 也能在接收线圈中产生足够强的感应电流 (图1) 。

目前, 无线充电技术基本有三种方式, 分别是电磁感应、无线电波以及共振作用。在此基础上, 无线充电目前有三个比较成熟的联盟标准:Qi标准、PMA标准和A4WP标准。

2.1 Qi无线充电标准

Qi是由无线充电联盟 (Wirel ess P ower Co nsor tium, 简称WPC) 提出的标准, 具有便携性和通用型两大特征。WPC是全球首个推动无线充电技术的标准化组织, 也是目前世界上最大的无线充电标准组织, 其成员包括来自15个不同国家的137个合作伙伴, 包括HTC、诺基亚、LG、摩托罗拉、三星等, 并已有一百多款搭载Qi技术的设备上市。Qi基于电磁感应原理进行输电, 感应耦合电能传输系统的基本结构如图2所示。这个系统由发射器线圈L1和接收器线圈L2组成, 两个线圈共同构成一个电磁耦合感应器。发射器线圈所携带的交流电生成磁场, 并通过感应使接收器线圈产生电压。

Qi采用了较小的感应线圈, 从而能够很容易地在较高频率下传输能量。不过其缺点也很明显, 那就是充电的距离比较短, 最大仅有几个厘米。所以, 采用Qi的无线充电设备都需要将手机等设备放在充电基座上, 通常还设有磁性固定装置。而Qi另一个比较大的劣势就是不支持多个设备同时充电。为了改进这些缺点, 有人提出在充电输出装置中放置多组小型线圈, 以增加充电范围, 但耗电量无疑也会随之增加, 而且用户依然需要在充电时将手机等设备精确地放置在有感应磁场的区域, 以保持和充电基座较强的连接。为了进一步解决耗电量增加的问题, WPC在Qi技术中加入了一种通讯协议。通过这个协议, 充电中的设备会“告诉”充电基座需要的电量或是充电已完成, 而充电基座可以根据充电设备的需要调节输出功率或者在充电完成后转入节能模式。除此以外, Qi另一个令人诟病的问题是在充电时可能会加热手机等设备内部的导电材料, 从而引起发热。

Qi现阶段只能为5W以下的电子产品提供无线充电, 比如智能手机、平板电脑、相机等等。供电效率也仅有50.2%, 相较常用的直流电源适配器72%的平均效率相差甚远, 但在无线充电技术来说已经相当可观。而在远景计划中, WPC计划将Qi充电站植入到家庭、汽车、火车等各个公共场所。

2.2 PMA无线充电标准

PMA标准, 全称Power Matters Alliance, 由宝洁与无线充电技术公司Powermat合资经营的Duracell Powermat公司发起, 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, 目前PMA联盟已经有中兴、黑莓、星巴克、AT&T、Goole和金霸王等公司加盟。PMA标准通过两种方式来进行充电, 一种是透过内建无线充电芯片, 另一种则是采用Wi CC无线充电卡 (图3) , 这种卡片非常轻薄, 使用方法也非常简单, 只需要安装在在移动设备的电池上即可, 同时Wi CC卡也可以作为NFC (近场通讯) 天线使用, 看上去它让无线充电技术的未来充满了光明。但是Wi CC卡也存在缺陷, 充电卡的设计使它不能直接用在像i Phone那样无法拆卸电池的设备上。如果要使用Wi CC卡, 手机制造商们必须在电池添加一个小的连接头, 其中两根导线用于充电、两根用于NFC讯号传送、两根用于数据传输。

目前美国星巴克所使用的无线充电设备即采用PMA的标准, 如果未来手机支持这种无线协议, 恰巧你走到咖啡厅将手机直接放到桌子上就能充电。显然这种来自商家的支持是非常重要的。不过普及开来还需要时间。

2.3 A4WP无线充电标准

A4WP标准, 全称Alliance for Wireless Power, 是由高通公司、三星公司以及Powermat公司共同创建, 它的目标主要是建立电子产品之间统一的标准, 甚至与电动汽车等相匹配的机制。A4WP标准采用的是“电磁谐振技术”, 这是与其他标准最大的不同。相比于Qi, A4WP采用了更大的输出线圈, 能同时为多台设备充电。同时由于设定了精确的共振频率, 即使微弱的感应磁场也能为设备充电, 这意味着A4WP的充电范围将会比Qi大得多, 理论上来说隔着物体也可以充电, 同时也不需要准确地将设备摆放在充电基座上。和Qi一样, A4WP也可以根据充电设备的数量和缺电状况自动调整能量分配方案, 以达到节能的目的。从其特点来看, A4WP要比Qi方便不少, 用户不再需要像使用Qi无线充电设备时那样将手机小心翼翼地摆放好, 而且由于A4WP的充电范围较大, 将会支持一些形状复杂的设备, 比如相机。但是效率低下是它的最大弊端, 短时间内很难克服。

因为目前还没有采用A4WP技术的设备上市, 所以在电力消耗上哪个技术更优秀还不得而知。对于家庭用户来说, 设备兼容性和效率才是他们最关心的两个因素, 从这个角度来说, Qi和PMA略有优势;而对咖啡厅之类公共场合来说, 能够为多个设备同时充电的A4WP无线充电器显然更为实用。不过, 最有可能决定谁能胜出的因素还是这三种标准的应用率, 而在这方面, 有着多家合作伙伴和一百多款上市设备的Qi遥遥领先。

3 结语

对于无线充电来说, 究竟什么才是亟待解决的问题, 我认为第一点, “接收电力”的模块必须足够的迷你化, 起码能够在手机上作为内置的系统, 安装在智能手机的处理器面板上。其实它应该做的更加的微型化, 比锂电池还小。这样就能够让现有的数百万的各种家用电子设备都能够自行无线充电。第二点, 就目前来说, 人们还不得不去习惯这些无线的充电基站, 不管是垫子还是盒子, 你都得花费大量的时间和精力才能达到充电的效果。比如充电时间要比一般线材充电的长, 比如要找到一个比较合适的位置才能让它充上电等等。所以未来这些基站的性能和易用性必须得到提升。最后, 在充电过程中, 必须保证绝对的安全。毕竟无线充电依然是与电打交道。不管如何, 最终无线充电技术会给我们带来一个没有插头和插板的世界, 让我们拭目以待。

摘要：无线充电将会是未来移动设备的一个发展方向, 也是各大厂商争相研究的热点技术之一。目前的无线充电的主流标准分为Qi、PMA和A4WP三大标准。本文对无线充电技术的应用现状及三大标准进行分析。

关键词：无线充电,Qi,PMA,A4WP

参考文献

[1]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) .

[2]张宇, 石新春, 李琦.无线输电基本原理及应用研究[J].科技资讯, 2012. (18) :132-133.

无线充电设备市场今年冲高 篇9

市场调研公司IHS i Suppli预测, 世界无线充电设备市场在2010年大幅成长60%, 达到1.2亿美元之后, 今年更将冲高6倍, 达8.9亿美元, 并预计2012年将继续飇升276%, 直到2015年才将放缓到增长48%, 达到237亿美元的市场规模, 2 0 1 0～2 0 1 5年5年间的年均增长率高达298% (图1) , 难有匹敌。

资料来源:IHS iSuppli, 2011年6月

无线充电装置的设计与研究 篇10

无线充电技术(Wireless charging technology;Wireless charge technology)利用了电磁波感应原理，及相关的交流感应技术，在发送和接收端用相应的线圈来发送和接收产生感应的交流信号来进行充电的的一项技术。无线充电器装臵则是利用无线充电技术进行电能传输的一种装置。无线充电我总结了两大优点：一是它让需要供电的设备和充电器分离，这样就可以统一充电器，从而达到节省资源的效果。二是它可以隔物传能，这是普通充电器无法比拟的一大特点。

就目前来说，各种电子产品层出不穷，对同时拥有多种设备的用户来说，充电器和线就是一种负担，尤其是喜欢出行的人。无线充电有很大的应用前景。一般来说，如果我们的电子产品都是统一的无线充电接口，在火车站，汽车站等需要等待的地方我们就可以随时给我们的电子设备充电。在医疗方便，现在有很多的器官辅助设备，例如：心脏助勃器，更换电池会给患者带来巨大的手术痛苦和高额的医疗费，如果设计了无线充电的模块，将会给医疗方面带来更好的模式。

1 系统硬件设计

此装置一共包含四大模块电路，分别是频率产生模块、前置放大模块、电磁发射模块和接收模块。下面分别对各模块进行详细的分析与介绍。

1.1 频率产生模块

如图一、这部分是利用NE555芯片和几个电阻构成一个波形发生器，目的是产生一个稳定频率的方波，方波频率f=1.443/(R3+2*RV4))*C1,经过反复的模拟与实际试验，我们选用的是65Khz的频率，这样后续电路的工作效率最大。

1.2 前置放大模块:

如图二、这部分前置放大模块采用的是NE5532芯片构成一个功率放大电路，将前面频率产生模块产生的方波进行功率放大，理论上最大可以放大到2W，这样经过功率放大的信号再由电磁发射模块发射出去，有利于信号的辐射，将传输损耗降低。

1.3 电磁发射模块

如图三、这是一个H桥电路，由两个P沟道MOSFET和两个N沟道MOSFET。当频率信号为高电平时，N沟道导通，P沟道截止，Q1和Q2是导通的，Q3和Q4截止，电流从正极经Q1 R1发射线圈Q2流程，在图中也就是从左向右。当频率信号为低电平时，P沟道导通，N沟道截止，Q3和Q4是导通的,Q1和Q2是截止的。电流经Q4发射线圈R1 Q3流程，在图中也就是从右往左。发射电路就是这样通过监控发射频率的情况来进行磁场发射的。

1.4 接收模块

如图四、接收模块是频率信号由接收线圈接收，经过整流桥整流，滤波后再智能应用Intelligence Application经过MC34063电源管理模块，通过改变RV1的阻值来改变输出电压，使输出电压刻在5V到18V间可调。经测试输出最大功率在3W，这样的参数足以满足所有的便携式电子设备的充电要求。

2 充电装置的整体流程图

3 结束语

随着便携式电子产品的普及，充电问题必将是电子行业的下一次重大突破的重点，而无线充电拥有着广阔发展前景，国内外的各大电子厂商的研究重点项目。本文介绍一款简单实用的无线充电器的设计，成本低廉，并且对其原理和结构做了详细的介绍。该系统应用范围广泛，有很大的应用前景。

参考文献

[1]罗涛.智能无线充电器[J].电子世界,2012.

[2]朱细章.艾信友.彭小健.李邵文.无线手机充电器制作[J].无线互联科技,2013