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鋰電池無線充電技術原理解析

鋰電池的無線充電技術作為當代一種新型的充電技術,在可穿戴領域的電子設備廣受歡迎。該技術使電子設備擺脫了電線的限制,實現電器和電源完全分離。在安全性,靈活性等方面顯示出比傳統充電器更好的優勢。

無線供電原理及實現方法:

無線充電利用電磁波感應原理進行充電,原理類似于變壓器。在發送和接收端各有一個線圈,發送端線圈連接有線電源產生電磁信號,接收端線圈感應發送端的電磁信號從而產生電流。

2007年6月麻省理工學院以MarinSoljacic為首的研究團隊首次演示了利用電磁感應原理的燈泡無線供電技術,他們可以在一米距離內無線給60瓦的燈泡提供電力,電能傳輸效率高達75%。

研究者由此設想電源可以在這范圍內為電池進行無線充電,進而推想只需要安裝一個電源,即可為整個屋里的用電器供電。傳輸線圈的工作頻率在兆赫茲范圍,接收線圈在非輻射磁場內部發生諧振,以相同的頻率振蕩,然后有效的通過磁感應進行電能傳輸。

實現無線充電技術主要通過四種方式:電磁感應式、磁場共振式、無線電波式、電場耦合式。

1、電磁感應式

1890年,物理學家兼電氣工程師尼古拉?特斯拉就已經做了無線輸電試驗,實現了交流發電。

邁克爾?法拉第發現電磁感應原理,電流通過線圈會產生磁場,其他未通電的線圈靠近磁場就會產生電流。

電磁感應式充電:初級線圈一定頻率的交流電,通過電磁感應在次級線圈鐘產生一定的電流,從而將能量從傳輸端轉移到接收端。目前最為常見的充電墊解決方案就采用了電磁感應,事實上,電磁感應解決方案在技術實現上并無太多神秘感,中國本土的比亞迪公司,早在2005年12月申請的非接觸感應式充電器專利,就使用了電磁感應技術。

電磁感應式是當前最成熟、最普遍的無線充電技術,原理有些類似于變壓器。

2、磁場共振式

磁場共振充電由能量發送裝置,和能量接收裝置組成,當兩個裝置調整到相同頻率,或者說在一個特定的頻率上共振,它們就可以交換彼此的能量,是目前正在研究的一種技術,由麻省理工學院(MIT)物理教授MarinSoljacic帶領的研究團隊利用該技術點亮了兩米外的一盞60瓦燈泡。該實驗中使用的線圈直徑達到50cm,還無法實現商用化,如果要縮小線圈尺寸,接收功率自然也會下降。

相比電磁感應方式,利用共振可延長傳輸距離。磁共振方式不同于電磁感應方式,無需使線圈間的位置完全吻合。

應用:意法半導體與WiTricity合作開發諧振無線電能傳輸芯片

意法半導體(簡稱ST)與超長距離無線電能傳輸技術先驅WiTricity公司,宣布合作開發電磁諧振式無線電能傳輸半導體解決方案。

此方案支持消費電子和物聯網設備快速無線充電,并支持多個設備同時充電。這個電磁諧振無線電能傳輸芯片被稱為“無線充電2.0”,與現有無線充電技術不同的是,這款芯片能夠給金屬外殼的智能手機、平板電腦和智能手表高效充電。

3、無線電波式

無線電波式充電:這是發展較為成熟的技術,類似于早期使用的礦石收音機,主要有微波發射裝置和微波接收裝置組成,可以捕捉到從墻壁彈回的無線電波能量,在隨負載作出調整的同時保持穩定的直流電壓。此種方式只需一個安裝在墻身插頭的發送器,以及可以安裝在任何低電壓產品的“蚊型”接收器。

整個傳輸系統包括微波源、發射天線、接收天線3部分;微波源內有磁控管,能控制源在2.45GHz頻段輸出一定的功率。

應用:AirVolt無線充電器

AirVolt是一款利用無線電波給移動設備進行充電的無線充電器。和同類型產品一樣,它的效率要比有線充電低一些。AirVolt充電頭通電后可以將電能轉化為電磁波,接收器獲取后會將電磁波又轉化為電能為手機充電。當電量充滿到80%時就會自動停止充電,低于20%時又會自動充電,既保證了手機最佳電量又不會導致過度充電,增加了電池使用壽命。

AirVolt由TechNovator公司開發,需要充電時只要將接收器插進手機,再將充電頭插上插座就能進行遠程無線充電。最佳充電距離是9米之內,而最遠距離可達12米,躲到屋里任何一個角落都能充電!接收器和充電頭體積都足夠小,充電速度就比普通充電器慢一些。有Lightning或MicroUSB兩種接口選擇,滿足不同需要。

4、電場耦合式

電場耦合式充電原理:利用通過沿垂直方向耦合兩組非對稱偶極子而產生的感應電場來傳輸電力。一般充電模塊是由2個非對稱偶極子按垂直方向排列而成的,這組偶極子各由供電部分和接收部分的活性炭電極和接地電極組成。無線供電模塊就是通過這2個非對稱偶極子的電場耦合而產生的感應電場來供電的。

電場耦合方式的特點大致有三:①充電時可實現位置自由,②電極薄,③電極部的溫度不會上升。因此不僅能夠提供便利性,而且還可降低系統成本。目前已試制完成為平板終端及電子書等便攜終端進行無線供電的供電臺。

 

無線充電技術會因距離增大使設備的耗能曾高。要實現遠距離大功率的無線電磁轉換,設備的耗能較高。所以,實現無線充電的高效率能量傳輸,是無線充電技術普及的首要問題。

無線充電的優點:

(1)便捷性:非接觸式,一對多充電與一般充電器相比,減少了插拔的麻煩,同時亦避免了接口不適用,接觸不良等現象,老年人也能很方便地使用。一臺充電器可以對多個負載充電,一個家庭購買一臺充電器就可以滿足全家人使用。

(2)通用性:應用范圍廣只要使用同一種無線充電標準,無論哪家廠商的哪款設備均可進行無線充電。

(3)新穎性,用戶體驗好

(4)具有通用標準

主流的無線充電標準有:Qi標準、pMA標準、A4Wp標準。

Qi標準:Qi標準是全球首個推動無線充電技術的標準化組織——無線充電聯盟(WpC,2008年成立)推出的無線充電標準,其采用了目前最為主流的電磁感應技術,具備兼容性以及通用性兩大特點。只要是擁有Qi標識的產品,都可以用Qi無線充電器充電。2017年2月,蘋果加入WpC。

pMA標準:pMA聯盟致力于為符合IEEE協會標準的手機和電子設備,打造無線供電標準,在無線充電領域中具有領導地位。pMA也是采用電磁感應原理實現無線充電。目前已經有AT&T、Google和星巴克三家公司加盟了pMA聯盟。

A4Wp:AllianceforWirelesspower標準,2012年推出,目標是為包括便攜式電子產品和電動汽車等在內的電子產品無線充電設備設立技術標準和行業對話機制。A4Wp采用電磁共振原理來實現無線充電。

無線充電的缺點:

(1)工作距離短

目前的無線充電技術大多在短距離范圍內的近磁場對電子設備進行無線充電。因為無線電能傳輸的距離越遠,功率的耗損也就會越大,能量傳輸效率就會越低,且會導致設備的耗能較高。

(2)轉換效率低,速度慢

無線充電技術雖然簡單便捷,但是其硬傷在于緩慢的充電速度和充電效率。

(3)功耗較高,更加費電

隨著無線充電設備的距離和功率的增大,無用功的耗損也就會越大。

(4)成本較高,維護消耗大,不符合標準會有安全隱患危險。

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