无线充电原理详解(一):
当前无线充电技术主要有磁共振式、电磁感应式、无线电波式、电场耦合式四种基本方式。电磁感应无线充电技术利用的是电磁感应原理,电磁感应原理是一种由磁通量变化产生感应电动势的现象,具体是指磁铁穿过线圈的过程中线圈切断了磁场从而产生了感应电流,并且电流计的指针发生了偏转。无线充电技术的另一重要理论基础是磁共振原理。磁共振是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,它们就能够交换彼此的能量。从技术的应用实践来看,当前电磁感应、磁共振技术与电场耦合式适用于近程与中短程,相对成熟,无线电波适用于远程电力传输,但技术尚不成熟。无线充电技术中电磁感应、磁共振式以及电场耦合式皆属于非放射型,而无线电波式则属于放射型。
四类无线充电技术分析
磁场共振技术:磁场共振式无线充电需要将能量发送装置和能量接收装置中的两个线圈作为共振器,由小电容并联或串联而成的大电感线圈组成,经过共振效应进行能量传输,并且这两个装置需调整到相同频率。相比于电磁感应,磁共振无线充电的传输距离更长、供电效率更高,并且支持一对多的供电方式。
电磁感应技术:电磁感应式无线充电是基于电磁感应原理,这类充电系统主要由初级线圈和次级线圈两个线圈组成,经过给初级线圈通以必须频率的交流电,由于电磁感应的作用,在次级线圈中会产生必须的电流,所以能量就从传输端转移到了接收端。它的优点是能量效率较高、技术简单,缺点传输距离短、使用位置相对固定。
无线电波输电技术:该技术是将电磁波转换为电流,再经过电路传输电流进行充电。无线电波输电系统主要由微波发射装置和微波接收装置组成。微波发射装置发射无线电波,微波接收装置捕捉无线电波能量,并随负载做出调整,得到稳定的直流电。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。
电场耦合技术:电场耦合技术将电能以微波的形式沿垂直方向耦合两组非对称偶极子而产生电力,经过无线传送,发射到远端的接收天线,然后经过整流、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。
无线充电的原理类似于变压器,该系统的设计也大多参考了变压器的结构特点。无线充电产品结构可分为两部分,分别是接收端和发射端,发射端包括芯片、振荡器、功率放大器、线圈、PCB、被动器件、电子变压器、结构件等,接收端又能够分成芯片和模组两个大部分。无线充电设备在发射和接收端各有一个线圈,发射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给电池充电。
无线充电原理详解(二):
无线充电系统主要采用电磁感应原理,经过线圈进行能量耦合实现能量的传递。系统工作时输入端将交流市电经全桥整流电路变换成直流电,或用24V直流电端直接为系统供电。无线充电技术是一种特殊的供电方式,它不需要电源线,依靠电磁波传播,然后将电磁波能量转化为电能,最终实现无线充电。
无线充电可分为小功率无线充电和大功率无线充电两种方式。
小功率无线充电常采用电磁感应式,如对手机充电的Qi方式,但中兴的电动汽车无线充电方式采用感应式。大功率无线充电常采用谐振式(大部分电动汽车充电采用此方式)由供电设备(充电器)将能量传送至用电的装置,该装置使用接收到的能量对电池充电,并同时供其本身运作之用。
由于充电器与用电装置之间以磁场传送能量,两者之间不用电线连接,所以充电器及用电的装置都能够做到无导电接点外露。
无线充电技术可广泛用于消费电子、汽车、工业等领域,其中消费电子是最重要的应用端,以手机无线充电发展最为快速。目前,手机的无线充电主要使用电磁感应技术,经过充电底座的发射线圈和手机内部的接收线圈之间电磁感应而实现,具体是由充电盘供给交流电,将电流传输至手机的线圈,转化为直流电,就可给手机电池持续供电。智能手机的无线充电电流会经过手机背板,如两个线圈之间的手机背板是金属材质,会吸收并减弱电磁信号,导致充电效率降低。所以,无线充电功能的导入,进一步明确了智能手机背板非金属化趋势。
无线充电汽车是指利用无线感应充电装置给电动汽车充电。经过在电动汽车上加装一个无线感应充电装置,司机只需要将车开到固定位置,无需插取充电电缆即可给汽车进行充电。该装置由电池、充电感应器、交直流转换器和控制系统组成,其基本原理是在地面下的铺设供电导轨以高频交变磁场的形式将电能传输给在地面上的车辆,进而给车载储能设备供电,可使电动汽车搭载少量电池组,延长其续航里程。车载无线充电系统由位于汽车外部主级电路和位于内部的次级电路、整流器以及驱动系统构成。通常在充电的时候,带有扁平铁芯的主级线圈(即耦合器)插在次级铁芯中一个缝隙处,这样,能量就能够从安置在底层的主级电路被转换到电池中。
无线充电原理详解(三):
支持无线充电的智能手机从2011年夏季前后开始上市。任何厂商的任何机型均可使用的“Qi”规格将成为全球标准。停车即可充电的EV(电动汽车)用充电系统也在推进研发。
无线充电已经在电动牙刷、电动剃须刀、无线电话等部分家电产品中实用化,此刻其应用范围又扩大到了智能手机领域。
NTTDoCoMo在2011年夏季以后陆续上市了多款支持无线充电的智能手机和充电座。这些手机无需在手机上插上充电线缆,只需放置在充电座上即可为电池充电。今后NTTDoCoMo将在电影院、餐厅、酒店、机场休息室等公共场所设置充电座,便于用户在外出时使用。
松下的“无接点充电板”
软银移动也预定2012年1月上市支持无线充电的智能手机。KDDI正在开发车载式智能手机的无线充电座。
未来无线充电的应用范围将有望扩大到EV的充电系统。
目前,市场上支持无线充电的智能手机和充电器大部分都贴合总部位于美国的业界团体“无线充电联盟(WPC)”所制定的“Qi”规格。Qi源自汉语“气功”中的“气”,以松下、韩国三星电子、英国索尼爱立信、芬兰诺基亚、电装为首,许多国家的家电厂商和汽车厂商都相继加盟了WPC。
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无线充电方式包括“磁共振”及“电波接收”等多种方式,Qi采用的是“电磁感应方式”。经过实现标准化,只要是带有Qi标志的产品,无论是哪家厂商的哪款机型均可充电。
19世纪发现的物理现象
电磁感应方式采用了19世纪上半期发现的物理现象。众所周知,电流流过线圈时,周围会产生磁场。1820年,丹麦物理学家汉斯·奥斯特(HansOersted)发现了这种电磁效应。
用没有通电的其他线圈接近该磁场,线圈中就会产生电流,由此点亮灯泡。1831年,英国物理学家迈克尔·法拉第(MichaelFaraday)发现了这个可从线圈向线圈供电的物理现象,并称之为电磁感应现象。
磁共振方式
无线充电使用的充电座和终端分别内置了线圈,使二者靠近便开始从充电座向终端供电。为提高供电效率,需要使线圈之间的位置对齐,不产生偏移。所以,各厂商在位置定位方法方面纷纷开动脑筋。
从事智能手机外设业务的日本Oar公司于2011年8月推出了名为“无线充电板”的充电座。内置有磁铁,用于将终端吸引到指定位置。
松下于2011年6月投放了无线充电座“无接点充电板”。尺寸约为鼠标垫大小,表示实现了“位置自由(FreePositioning)”,将终端放在充电板上的任何位置均可充电。
充电座内部的线圈带有驱动装置,可在平面中移动。经过自动检测终端放置位置,并移动至该位置,使线圈的位置相一致。
该充电座的开发人员、松下集团三洋电机能源设备公司(SANYOElectricEnergyDevicesCompany)充电系统事业部长佐野正人就位置自由实现实用化的理由解释说,“用户期望能更便利地充电”。
日立麦克赛尔于2011年4月面向美国苹果的人气智能手机“iPhone”上市了无线充电器“AIRVOLTAGE”。由于iPhone不支持无线充电,所以需要套上内置有线圈的专用外壳才能使用。
电场耦合方式不使用线圈
另外,麦克赛尔的充电座有为一部终端充电和为两部终端充电的款式。两部款的尺寸为鼠标垫大小,可在左右各放置一部终端。内部排列了14个线圈,左右各7个,用这些线圈覆盖了充电座的广大范围。由此,终端能够比较自由地放置在充电座上。在7个线圈中可最多自动选择3个能高效传输的线圈来供电。
日立麦克赛尔2011年11月还面向“iPad2”上市了无线充电器“AIRVOLTAGEforiPad2”。该充电器未采用Qi规格,而是全球首次采用了“电场耦合方式”。
电场耦合方式不使用线圈,而是在供电侧和受电侧设置电极,利用二者之间产生的电场供电。为iPad2套上内置有受电用电极的专用外壳来充电。
电场耦合方式的特点是,输出功率比Qi大,即使电极之间的位置稍有偏移也可维持高传输效率。模块由村田制作所开发。
EV的无线充电方面,采用磁共振方式的汽车厂商比较多。
磁共振方式由美国麻省理工学院(MIT)物理学家马林·索尔贾希克(MarinSoljacic)于2007年进行了验证,自此受到了广泛关注。
磁共振方式的原理与声音的共振原理相同。排列好振动频率相同的音叉,一个发声的话,其他的也会共振发声。同样,排列在磁场中的相同振动频率的线圈,也可从一个向另一个供电。
利用共振还可延长传输距离。电磁感应方式的供电距离最大为数mm~10cm左右,而磁共振方式如果线圈够大,可向数m远以外供电。
汽车的车底到地面一般有15cm左右的距离。如果在车底安装受电线圈,在自家停车场的地面埋入供电线圈,便可在停车时充电。能够省去连接充电线缆的麻烦。
另外,磁共振方式不一样于电磁感应方式,无需使线圈间的位置完全吻合。即使停车位置与固定位置稍微错开,线圈之间也会共振。
还将用于磁悬浮
三菱汽车2011年9月与美国风险企业WiTricity和IHI就共同开发磁共振方式无线充电系统达成了一致。在2011年12月上旬于东京有明国际展示场(东京有明国际会展中心)举行的东京车展上,展示了该无线充电系统。
供电距离为20cm,供电效率达90%以上。线圈之间最大允许错位为20cm。如果后轮靠在车挡上停车,基本能停在容许范围内。随着研究的推进,将来或许能进一步扩大容许范围。
丰田也于2011年4月与WiTricity公司就磁共振方式展开了技术合作,并在东京车展上展示了用于电动三轮踏板摩托车和四轮汽车的无线充电系统。
另外,还有将供电线圈埋入道路中,在红灯停车时和行驶中为电动汽车充电的构想,以及利用植入轨道中的线圈为行驶中的磁悬浮列车供电的设想。
除此之外,在家中的家具、地板和墙壁等中埋入线圈的研究也在推进之中。也许未来我们会迎来完全无需使用电线的生活。