引言

如今手機等移動設(shè)備已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪蟹浅Ｖ匾墓ぞ?。手機體積小,電池容量小,能量損耗巨大,如何通過便捷的方式對手機等移動設(shè)備進行快捷充電成為目前研究的重點。隨著時代發(fā)展,無線技術(shù)的應(yīng)用范圍愈發(fā)廣泛,無線充電技術(shù)也逐漸成熟。無線充電技術(shù)大致分為兩種原理,即基于電磁感應(yīng)技術(shù)的無線充電技術(shù)和基于磁場耦合共振傳輸電能的無線充電技術(shù)。目前主流的移動設(shè)備無線充電系統(tǒng)主要由感應(yīng)線圈、整流電路、穩(wěn)壓電路等構(gòu)成,適用于各類公共場所、家庭以及辦公室等場所手機等設(shè)備的無線充電。

1無線充電的原理及圖樣

目前市面上主流的無線充電器主要由充電底座(發(fā)送端）以及用電器端的接收器組成,充電時將發(fā)送端與接收端靠近,無需物理導(dǎo)線連接,借助空氣作為介質(zhì)進行能量傳輸,即可實現(xiàn)無線充電。

1.1無線充電原理

無線充電的底座(發(fā)送端）主要由降壓電路、振蕩電路、功放電路以及一個電磁感應(yīng)的發(fā)射線圈組成,由功放電路將市電進行轉(zhuǎn)換降到一個合適的數(shù)值,然后將交流電進行整流濾波,提高頻率后輸送到發(fā)射線圈,發(fā)射線圈中通過交變電流后產(chǎn)生交變磁場,接收端線圈在交變磁場中進行電磁感應(yīng)產(chǎn)生電流,再由接收端充電電路將感應(yīng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電進一步傳輸至用電器(電池）,以此實現(xiàn)無線充電功能,如圖1所示。電磁感應(yīng)原理如圖2所示。

1.2原理模型分析

在對無線充電系統(tǒng)進行計算以及理論分析的過程中,因為很少有振蕩電路這部分參與,所以可以簡化電路模型,將其分為發(fā)射線圈和接收線圈兩部分。

在實際應(yīng)用過程中,由于兩個線圈直接耦合,所以還需要考慮線圈間的漏感,所以等效電路如圖3所示。阻抗用Z1、Z2來表示,互感則用ZL來表示。

兩個線圈在空間中直接耦合,通常情況下會出現(xiàn)嚴重的漏磁現(xiàn)象,所以將兩個線圈之間的耦合系數(shù)設(shè)為長(通常情況下令1>長>0）,則:

式中,L1為初級線圈導(dǎo)線有效長度:L2為次級線圈導(dǎo)線有效長度。

所以,這個無線充電裝置的充電效率為:

式中,P為電源總能量:PL為負載所能接收到的能量:7為裝置效率。

由上式可知,當(dāng)這個系統(tǒng)的阻抗Z1、Z2增大時,傳輸效率

將會降低。

無線充電的工作效率不僅取決于磁感應(yīng)線圈之間的耦合系數(shù)(K）以及線圈的品質(zhì)因數(shù)(0）,還與耦合與次級感應(yīng)線圈間的距離、初次級感應(yīng)線圈之間的直徑比值相關(guān)D1/D2,以及與線圈的角度之間的角度和形狀也有關(guān)聯(lián)。

根據(jù)Biot-savartLaw定律可得,穩(wěn)恒電流通過導(dǎo)線時,在導(dǎo)線外P處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度B為:

式中,μ0為磁導(dǎo)率:r為電阻。

計算出單個載流源線圈所在軸線上的磁場。設(shè)原線圈中心點為0,線圈半徑為R,其中載有的電流為I,如圖4所示。

在已知線圈中任意選取一個電流元為IdL,令電流元到P點的矢徑為r,由于r與IdL恒垂直,由Biot-savartLaw定律可知,電流元在P點所產(chǎn)生的電磁感應(yīng)強度為:

其中,dB在矢徑r與軸線所在的平面內(nèi),并且與r相垂直。顯然,在線圈上各個電流元在P點處的電磁感應(yīng)方向都是不相同的,所以需要把dB分為平行于軸線方向以及垂直與軸線方向兩個分量,平行于軸線方向的用Bl表示,平行與軸線方向的用B||表示。

根據(jù)對稱原理,垂直分量Bl相互抵消,平行分量B||相互疊加,則:

由上式可知,線圈會在P點產(chǎn)生磁場,與P點到線圈的距離矢徑r的三次方成反比,與線圈的半徑R成正比。所以,要想提高線圈無線傳輸能量的效率,就可以增大耦合線圈的半徑,或者減小線圈之間的距離[1]。

1.3無線充電圖樣

目前無線充電技術(shù)仍然處于起步階段,但目前發(fā)展十分迅速,全球很多智能設(shè)備生產(chǎn)商投入了大量資金進行研究。目前無線充電效率仍遠低于有線充電,但無線充電的充電功率已經(jīng)達到了198。

無線充電技術(shù)被應(yīng)用于可穿戴設(shè)備領(lǐng)域。手機充電方面的實物如圖5所示,可穿戴設(shè)備的無線充電實物如圖w所示,只需將設(shè)備靠近發(fā)射端即可進行充電。

2無線充電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前來說,無線充電發(fā)展剛進入起步階段,很多廠商這方面的研發(fā)都受到了一些限制,例如充電功率相比有線充功率較低,充電時不能距離充電座太遠,當(dāng)達到一定距離時,有很多能量便會以無線電波的形式消耗掉,而且材料成本相對較高。

盡管如此,近些年手機無線充電技術(shù)的發(fā)展還是非常迅猛的,尤其是在充電功率方面,已經(jīng)由剛開始的58增長到目前的近198,不僅是手機,在可穿戴設(shè)備、鼠標以及一些小型的用電設(shè)備上都使用了無線充電技術(shù),普及程度大幅提升,越來越多的相關(guān)產(chǎn)品應(yīng)運而生,譬如在咖啡館內(nèi)設(shè)置帶無線充電底座的桌子之類的。

3無線充電技術(shù)的應(yīng)用展望

雖然無線充電技術(shù)處于發(fā)展階段,還存在一些問題,但相較于有線充電,它的應(yīng)用優(yōu)勢十分巨大。

3.1同時進行多設(shè)備供電

由于一對一插口的限制,使得無線充電只能一次充一個設(shè)備,在設(shè)備數(shù)量增加時,無法對多個設(shè)備同時進行充電。然而,如果電路合理,在一張桌面上可以設(shè)置多個無線充電底座,只需用一根線便可實現(xiàn)一次對多個用電器充電。

美國推出過一款名為"watt6p"的無線充電器,可以允許在距離信號發(fā)射器4wm范圍內(nèi)進行無線充電,可以最多向12臺設(shè)備提供0258的充電功率,或者向最多4臺設(shè)備提供48的充電功率,隨著距離的減小,充電越快。

3.2降低線材損耗,提高安全性

在使用常規(guī)直插式線材充電時,會有彎折現(xiàn)象,對線材損耗非常大,有時可能會磨損線材外面的保護橡膠。而無線充電時只需要連接能量發(fā)射端的底座,不需要大幅移動線材,所以可以有效避免線材的彎折,避免由于橡膠磨損帶來的漏電危害。

因為無線充電不需要過多彎折線材,可以很好地保護充電端導(dǎo)線,使其不會太過受到磨損,有效避免了因線材磨損內(nèi)部導(dǎo)線裸露在外的導(dǎo)線短路引發(fā)的火災(zāi)。

3.3避免線材雜亂無章,影響環(huán)境整潔度

在給各個用電器充電時,由于每一個用電設(shè)備都要使用一根充電線,當(dāng)用電器比較多時,線材數(shù)量也會上升,導(dǎo)致這些電線相互纏繞,難以整理。而無線充電可以避免這一問題,只需要把充電底座的連接線整理順暢后,便不需要過多整理,使周圍環(huán)境更加整潔。

4需改進的問題

隨著無線技術(shù)的高速發(fā)展,可以使移動設(shè)備的無線充電更加輕便化、多元化,還可以同物聯(lián)網(wǎng)進行連接。

4.1充電模式單一

因為無線充電的核心是電磁感應(yīng),所以未來在這方面的發(fā)展可以使用不僅是主次級線圈相互感應(yīng)來充電,還可以借助其他可以發(fā)出電磁波信號的設(shè)備為移動設(shè)備進行無線充電,例如室內(nèi)的光波、wi-Fi信號等。

因為無線充電主要還是利用變化的電磁波來進行無線充電,再加上電磁波有很多形式,所以將其他形式的電磁波引入無線充電范圍中還是極有可能的。把電能轉(zhuǎn)化為光能,譬如激光,將激光的能量傳遞到目的地,再將其轉(zhuǎn)化為電能,而且光電轉(zhuǎn)換技術(shù)目前應(yīng)用很廣泛,但是這樣的能量傳遞技術(shù)有一定的缺陷,就是在傳遞路徑中不能有障礙物,這種技術(shù)在目前來說還有很大的應(yīng)用缺陷。

4.2充電距離短

目前無線充電技術(shù)基本充電底座和接收設(shè)備距離超過2cm,充電效率就會出現(xiàn)一個快速降低的突變,在以后的技術(shù)發(fā)展過程中,試圖慢慢增加充電距離,可以不用將設(shè)備局限于無線充電底座上,漸漸做到無電池化。

目前在汽車領(lǐng)域已有相關(guān)應(yīng)用:2011年豐田曾宣布已經(jīng)開發(fā)出了基于電磁共振原理的無線充電方式,可對汽車進行無線充電,這項技術(shù)利用微型、高效的接收電路,收集從障礙物反射回來的無線電波,將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流電壓,可以實現(xiàn)10m的傳輸。

但是電磁共振的技術(shù)要求比較苛刻,用于商用還需要進行更深層次的更新和改良。

4.3充電效率低

由于無線充電技術(shù)發(fā)展時間較短,在充電過程中,功率相對與有線充電非常低。手機充電方面主要還是存在漏感嚴重以及功率過大所產(chǎn)生的輻射問題。但是目前無線充電器的功率處于逐漸提升的過程,這也是一個減少漏感,并降低輻射影響的過程。

4.4價格成本比較高

因為無線充電技術(shù)剛剛興起,所以很多方面的成本都比較高昂,在今后的發(fā)展過程中,隨著工業(yè)技術(shù)水平的提升,可以逐漸降低制造成本,使無線充電技術(shù)更加普及、便捷。

4.5會增加智能產(chǎn)品厚度

無線充電中的能量接收線圈會增加智能設(shè)備厚度。諾基亞目前正在設(shè)計一種新機型,旨在將無線充電的接收線圈與NFC技術(shù)相結(jié)合,盡可能降低智能設(shè)備的厚度,增加智能設(shè)備的集成度,更高效地利用空間。

以蘋果手機為例,生產(chǎn)商為了讓手機可以無線充電,對其進行了一定程度的改造,安裝一種類似"蘋果皮"的接收器,將無線充電接收器以手機保護殼的形式出現(xiàn),也可以對設(shè)備進行很大程度的"瘦身"。

5結(jié)語

無線充電技術(shù)剛剛興起,有十分廣闊的發(fā)展空間,在其發(fā)展初期便顯示出多種優(yōu)勢,相信在未來這項技術(shù)可以普及到家家戶戶,讓人們免受各種充電線雜亂的困擾,避免一些安全隱患。隨著科技的發(fā)展,無線充電技術(shù)不僅可以用在手機、汽車等領(lǐng)域,還可以用于PC、數(shù)碼相機等更多電子領(lǐng)域,促進整個社會飛速發(fā)展。