引言

如今手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪蟹浅Ｖ匾墓ぞ?。手機(jī)體積小,電池容量小,能量損耗巨大,如何通過(guò)便捷的方式對(duì)手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行快捷充電成為目前研究的重點(diǎn)。隨著時(shí)代發(fā)展,無(wú)線技術(shù)的應(yīng)用范圍愈發(fā)廣泛,無(wú)線充電技術(shù)也逐漸成熟。無(wú)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(wú)線充電技術(shù)和基于磁場(chǎng)耦合共振傳輸電能的無(wú)線充電技術(shù)。目前主流的移動(dòng)設(shè)備無(wú)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(chǎng)所、家庭以及辦公室等場(chǎng)所手機(jī)等設(shè)備的無(wú)線充電。

1無(wú)線充電的原理及圖樣

目前市面上主流的無(wú)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(shí)將發(fā)送端與接收端靠近,無(wú)需物理導(dǎo)線連接,借助空氣作為介質(zhì)進(jìn)行能量傳輸,即可實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電。

1.1無(wú)線充電原理

無(wú)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(gè)電磁感應(yīng)的發(fā)射線圈組成,由功放電路將市電進(jìn)行轉(zhuǎn)換降到一個(gè)合適的數(shù)值,然后將交流電進(jìn)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(guò)交變電流后產(chǎn)生交變磁場(chǎng),接收端線圈在交變磁場(chǎng)中進(jìn)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(jìn)一步傳輸至用電器(電池）,以此實(shí)現(xiàn)無(wú)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(duì)無(wú)線充電系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算以及理論分析的過(guò)程中,因?yàn)楹苌儆姓袷庪娐愤@部分參與,所以可以簡(jiǎn)化電路模型,將其分為發(fā)射線圈和接收線圈兩部分。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,由于兩個(gè)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(lái)表示,互感則用ZL來(lái)表示。

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

式中,L1為初級(jí)線圈導(dǎo)線有效長(zhǎng)度:L2為次級(jí)線圈導(dǎo)線有效長(zhǎng)度。

所以,這個(gè)無(wú)線充電裝置的充電效率為:

式中,P為電源總能量:PL為負(fù)載所能接收到的能量:7為裝置效率。

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

將會(huì)降低。

無(wú)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(jí)感應(yīng)線圈間的距離、初次級(jí)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(guò)導(dǎo)線時(shí),在導(dǎo)線外P處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度B為:

式中,μ0為磁導(dǎo)率:r為電阻。

計(jì)算出單個(gè)載流源線圈所在軸線上的磁場(chǎng)。設(shè)原線圈中心點(diǎn)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(gè)電流元為IdL,令電流元到P點(diǎn)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(diǎn)所產(chǎn)生的電磁感應(yīng)強(qiáng)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(gè)電流元在P點(diǎn)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(gè)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(duì)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(huì)在P點(diǎn)產(chǎn)生磁場(chǎng),與P點(diǎn)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(wú)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(wú)線充電圖樣

目前無(wú)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(jìn)行研究。目前無(wú)線充電效率仍遠(yuǎn)低于有線充電,但無(wú)線充電的充電功率已經(jīng)達(dá)到了198。

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

2無(wú)線充電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前來(lái)說(shuō),無(wú)線充電發(fā)展剛進(jìn)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(shí)不能距離充電座太遠(yuǎn),當(dāng)達(dá)到一定距離時(shí),有很多能量便會(huì)以無(wú)線電波的形式消耗掉,而且材料成本相對(duì)較高。

盡管如此,近些年手機(jī)無(wú)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(kāi)始的58增長(zhǎng)到目前的近198,不僅是手機(jī),在可穿戴設(shè)備、鼠標(biāo)以及一些小型的用電設(shè)備上都使用了無(wú)線充電技術(shù),普及程度大幅提升,越來(lái)越多的相關(guān)產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生,譬如在咖啡館內(nèi)設(shè)置帶無(wú)線充電底座的桌子之類的。

3無(wú)線充電技術(shù)的應(yīng)用展望

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

3.1同時(shí)進(jìn)行多設(shè)備供電

由于一對(duì)一插口的限制,使得無(wú)線充電只能一次充一個(gè)設(shè)備,在設(shè)備數(shù)量增加時(shí),無(wú)法對(duì)多個(gè)設(shè)備同時(shí)進(jìn)行充電。然而,如果電路合理,在一張桌面上可以設(shè)置多個(gè)無(wú)線充電底座,只需用一根線便可實(shí)現(xiàn)一次對(duì)多個(gè)用電器充電。

美國(guó)推出過(guò)一款名為"watt6p"的無(wú)線充電器,可以允許在距離信號(hào)發(fā)射器4wm范圍內(nèi)進(jìn)行無(wú)線充電,可以最多向12臺(tái)設(shè)備提供0258的充電功率,或者向最多4臺(tái)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(shí),會(huì)有彎折現(xiàn)象,對(duì)線材損耗非常大,有時(shí)可能會(huì)磨損線材外面的保護(hù)橡膠。而無(wú)線充電時(shí)只需要連接能量發(fā)射端的底座,不需要大幅移動(dòng)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(lái)的漏電危害。

因?yàn)闊o(wú)線充電不需要過(guò)多彎折線材,可以很好地保護(hù)充電端導(dǎo)線,使其不會(huì)太過(guò)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(wú)章,影響環(huán)境整潔度

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

4需改進(jìn)的問(wèn)題

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

4.1充電模式單一

因?yàn)闊o(wú)線充電的核心是電磁感應(yīng),所以未來(lái)在這方面的發(fā)展可以使用不僅是主次級(jí)線圈相互感應(yīng)來(lái)充電,還可以借助其他可以發(fā)出電磁波信號(hào)的設(shè)備為移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行無(wú)線充電,例如室內(nèi)的光波、wi-Fi信號(hào)等。

因?yàn)闊o(wú)線充電主要還是利用變化的電磁波來(lái)進(jìn)行無(wú)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(wú)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(lái)說(shuō)還有很大的應(yīng)用缺陷。

4.2充電距離短

目前無(wú)線充電技術(shù)基本充電底座和接收設(shè)備距離超過(guò)2cm,充電效率就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)快速降低的突變,在以后的技術(shù)發(fā)展過(guò)程中,試圖慢慢增加充電距離,可以不用將設(shè)備局限于無(wú)線充電底座上,漸漸做到無(wú)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(kāi)發(fā)出了基于電磁共振原理的無(wú)線充電方式,可對(duì)汽車進(jìn)行無(wú)線充電,這項(xiàng)技術(shù)利用微型、高效的接收電路,收集從障礙物反射回來(lái)的無(wú)線電波,將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流電壓,可以實(shí)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(jìn)行更深層次的更新和改良。

4.3充電效率低

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

4.4價(jià)格成本比較高

因?yàn)闊o(wú)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(guò)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(wú)線充電技術(shù)更加普及、便捷。

4.5會(huì)增加智能產(chǎn)品厚度

無(wú)線充電中的能量接收線圈會(huì)增加智能設(shè)備厚度。諾基亞目前正在設(shè)計(jì)一種新機(jī)型,旨在將無(wú)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(jī)為例,生產(chǎn)商為了讓手機(jī)可以無(wú)線充電,對(duì)其進(jìn)行了一定程度的改造,安裝一種類似"蘋果皮"的接收器,將無(wú)線充電接收器以手機(jī)保護(hù)殼的形式出現(xiàn),也可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行很大程度的"瘦身"。

5結(jié)語(yǔ)

無(wú)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(shì),相信在未來(lái)這項(xiàng)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(wú)線充電技術(shù)不僅可以用在手機(jī)、汽車等領(lǐng)域,還可以用于PC、數(shù)碼相機(jī)等更多電子領(lǐng)域,促進(jìn)整個(gè)社會(huì)飛速發(fā)展。