[讨论] 无线充电技术的四种类型

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技术员

发表于 2015-7-9 13:40:19   5523 查看 17 回复 显示全部楼层 倒序浏览
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       无线充电技术可以分为四种类型,第一类是通过电磁感应“磁耦合”进行短程传输,它的特点是传输距离短、使用位置相对固定,但是能量效率较高、技术简单,很适合作为无线充电技术使用。第二类是将电能以电磁波“射频”或非辐射性谐振“磁共振”等形式传输,它具有较高的效率和非常好的灵活性,是目前业内的开发重点。第三类是“电场耦合”方式,它具有体积小、发热低和高效率的优势,缺点在于开发和支持者较少,不利于普及。第四类则是将电能以微波的形式无线传送——发射到远端的接收天线,然后通过整流、调制等处理后使用,虽然这种方式能效很低,但使用最为方便,英特尔是这项方案的支持者。
       1.电磁感应方式
       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。
       这套系统的主要缺陷在于,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。最早利用这一原理的无线充电产品是电动牙刷——电动牙刷由于经常接触到水,所以采用无接点充电方式,可使得充电接触点不暴露在外,增强了产品的防水性,也可以整体水洗。在充电插座和牙刷中各有一个线圈,当牙刷放在充电座上时就有磁耦合作用,利用电磁感应的原理来传送电力,感应电压经过整流后就可对牙刷内部的充电电池充电。
       2.磁共振方式
       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,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%,虽然相对较低但也进入商用化没有任何问题。
       3.电磁耦合方式
       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。
       4.微波谐振方式
       英特尔公司是微波谐振方式的拥护者,这项技术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,而英特尔的微波无线充电技术,则是将微波能量转换回电信号。
       微波谐振方式的缺点相当明显,就是能量是四面八方发散的,导致其能量利用效率低得出奇,如英特尔的这套方案,供应电力低至1瓦以下,乍一看起来实用性相当有限。而它的优点,则是位置高度灵活,只要将设备放在充电设备附近即可,对位置的要求很低,是最符合自然的一种充电方式。我们可以看到,当设备收发双方完全重合时,电磁感应和微波谐振方式的能量效率都达到峰值,但电磁感应明显优胜。不过随着X-Y方向发生位移,电磁感应方式出现快速的衰减,而微波谐振则要平缓得多,即便位移较大也具有相当的可用性。
       尽管能量和效率处于较低的水平上,乍看实用价值较为有限,但作为PC业的巨头,英特尔具有化腐朽为神奇的本领,而它的做法也相当巧妙:英特尔将超极本设计为无线充电的发送端,Atom Z平台手机作为接收端,这样只要手机放在超极本旁边,就能够在不知不觉中、连续不断地充电—相信在上班时,大多数用户都有将手机放在桌面上的习惯,此时充电工作就可以在后台开始了。即便英特尔所用的微波谐振方式只能充入很低的电量,但在长时间的充电下,智能手机产品的电力几乎将永不衰竭,至少从用户角度上看是这样,因为只要他携带着笔记本电脑、就根本不再需要关注充电问题。

实习生

发表于 2015-7-11 13:53:42  
楼主写的好专业  分析的很全面  谢谢分享
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实习生

发表于 2015-7-16 10:38:12  
酱油哥路过。。。。。。。。。。。。。。。。。。。
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实习生

发表于 2015-8-3 16:18:40  
不错  谢谢楼主              
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实习生

发表于 2015-8-18 13:37:02  
多谢楼主普及基础知识
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发表于 2015-8-24 14:32:02  
除了常用的变压器装置的,通过隔离变压器的装置的二次线圈,似乎还没有找到比这个更加实在的方法的呢,唯独有偶,隔离变压器的逆向电流会很大的,要注意了
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实习生

发表于 2015-9-10 17:40:16  
多数无线充电只没有线了,但必须放在一个固定的区域,没有自由度可言,和有线充电只是插头的区别,我觉得微软的方向更实用一些。
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发表于 2015-9-10 17:48:45  
无线充电,  效率太低了,,,,
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实习生

发表于 2015-10-24 02:44:48  
好东西啊。。。。。。。。。。
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发表于 2017-5-23 15:03:28  
看看                     
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技术员

发表于 2017-6-14 14:08:43  
学习啦
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发表于 2017-7-14 15:14:39  
谢谢楼主分享
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发表于 2017-7-22 14:59:12  
楼主,请问有没有磁共振的资料
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实习生

发表于 2017-7-28 09:06:15  
感谢楼主无私的分享
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实习生

发表于 2017-8-12 14:14:21  
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实习生

发表于 2018-2-6 14:19:04  
谢谢楼主提供的资料
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实习生

发表于 6 天前  
电磁感应和电磁共振都不能叫本质一样了,猫叫了咪而已。
电磁感应技术中电路也需要谐振,原副边都要,而且多数运行在谐振频率。
MIT宣称发明的非辐射witricity场,真的是这样的话是诺贝尔奖级别的成果,宏观世界发现新理论那还能得了。
而感应和共振所谓区别,是在电路的品质因数上。通常磁感应电路特意降低品质因数提升传输包括偏移情况下的稳定性 (Q<10)。而所谓的磁共振是增加Q,会增大电路增益但会降低带宽,电路极易失谐,而控制目前为止还不能有效补偿。
witricity现在到处带磁共振的节奏,他们什么时候可以生产出相应的产品,他们2米的系统是摆拍的,极为敏感的线圈只在那一个工作状态下可以有效运行,根本不可能商用化。
无线输电真正靠谱的还是像QI标准这样。远距离,臣妾实在做不到啊~(其实也可以,但是就是像MIT那样,原副边串联谐振+高Q值,都不用频率太高,也不用4线圈。2米用60cm左右线圈,效率取决于converter设计的多好)
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实习生

发表于 6 天前  
象象 发表于 2018-2-12 22:36
电磁感应和电磁共振都不能叫本质一样了,猫叫了咪而已。
电磁感应技术中电路也需要谐振,原副边都要,而且多数运行在谐振频率。
MIT宣称发明的非辐射witricity场,真的是这样的话是诺贝尔奖级别的成果,宏观世界发现新理论那还能得了。

Q提升到30-50,效果很明显!~
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