引言

隨著科技的不斷進(jìn)步,越來(lái)越多的便攜式移動(dòng)電子設(shè)備為我們的生活提供了便利,變成了生活中不可或缺的部分。為了實(shí)現(xiàn)更好的人機(jī)交互體驗(yàn),這些便攜式移動(dòng)電子設(shè)備正不斷推出更新穎的應(yīng)用,更大、更絢麗的屏幕,使這些設(shè)備耗電量也越來(lái)越高。然而,由于電池技術(shù)研發(fā)進(jìn)度的大幅度滯后,手機(jī)續(xù)航能力有限,因此用戶需要反復(fù)進(jìn)行充電。傳統(tǒng)的有線充電方式充電速度快、技術(shù)成熟,但也存在一些弊端:有線充電必須要通過(guò)繁雜的線材進(jìn)行電能的傳輸,同時(shí)頻繁拔線也會(huì)帶來(lái)物理?yè)p傷,需要定期更換充電線。因此,無(wú)線充電技術(shù)成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn),蘋果、華為、三星等公司均推出了自己的高端手機(jī),并把"高功率、快速無(wú)線充電"作為高端手機(jī)的一大亮點(diǎn)吸引顧客購(gòu)買。

1主流無(wú)線充電技術(shù)對(duì)比

現(xiàn)階段,無(wú)線充電(wirelessCharging)技術(shù)存在四種不同的方式:電磁感應(yīng)方式、電磁共振方式、電場(chǎng)耦合方式、無(wú)線電波方式。四種不同方式的無(wú)線充電技術(shù)對(duì)比如表1所示。

從表1可以看出,在手機(jī)等便攜式設(shè)備上運(yùn)用的無(wú)線充電技術(shù)主要是電磁感應(yīng)技術(shù)和電磁共振技術(shù),這也是目前發(fā)展較為成熟、市場(chǎng)占有率較高的兩種無(wú)線充電技術(shù)。無(wú)線充電技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中,需制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn),使符合標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備進(jìn)行無(wú)線充電。但目前標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一,主流的無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)有五種,包括:oi標(biāo)準(zhǔn)、PMA標(biāo)準(zhǔn)、A4wP標(biāo)準(zhǔn)、iNPoFi技術(shù)、wi-Po技術(shù),其中無(wú)線充電聯(lián)盟(wPC)推出的oi標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用比較廣泛,由PMA聯(lián)盟推出的PMA標(biāo)準(zhǔn)是符合IEEE協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn),在無(wú)線充電領(lǐng)域具有領(lǐng)導(dǎo)地位。這兩種標(biāo)準(zhǔn)都是針對(duì)目前技術(shù)較為成熟的電磁感應(yīng)式無(wú)線充電方式提出的,因此,下文將詳述電磁感應(yīng)式無(wú)線充電技術(shù)。

2電磁感應(yīng)式無(wú)線充電技術(shù)

2.1電磁感應(yīng)式無(wú)線充電原理

電磁感應(yīng)式無(wú)線充電技術(shù),是利用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行無(wú)線充電的一項(xiàng)技術(shù),其無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)包含兩個(gè)部分:發(fā)射端(Tx)和接收端(Rx),圖1所示為原理圖。

如圖所示,在發(fā)送和接收端各有一個(gè)線圈,發(fā)送端線圈連接有線電源產(chǎn)生電磁信號(hào),接收端線圈感應(yīng)發(fā)送端的電磁信號(hào)從而產(chǎn)生電流給電池充電。交流電源、變頻環(huán)節(jié)、發(fā)射線圈及諧振電容構(gòu)成了發(fā)射端,接收線圈、諧振電容、整流濾波環(huán)

節(jié)及負(fù)載組成了接收端。工作流程是Tx端PCB提供電流給線圈,然后Rx端線圈將收到的變化的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為電流,再提供給電池,從而實(shí)現(xiàn)充電的目的。

2.2無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)等效模型

為實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電的功能,文獻(xiàn)提出了一種自激推挽式零電壓高頻逆變電路,該無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的電路原理圖如圖2所示。

該電路利用兩個(gè)對(duì)稱開(kāi)關(guān)管o1和o2的互補(bǔ)導(dǎo)通,便可通過(guò)LC諧振電路得到所需的正弦波,實(shí)現(xiàn)了電路的自驅(qū)動(dòng),省去了傳統(tǒng)逆變電路中的控制及驅(qū)動(dòng)電路,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可靠性高,適用于對(duì)供電安全要求較高的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)。其中,o1、o2為N溝道MoSFET,型號(hào)為IRFZ44N,能夠?qū)崿F(xiàn)高頻無(wú)線電能傳輸。

對(duì)圖2進(jìn)行分析,同時(shí)考慮一次側(cè)和二次側(cè)兩個(gè)線圈之間的電磁耦合關(guān)系,電磁感應(yīng)式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的等效電路模型如圖3所示,其中電源為Us,電源內(nèi)阻為Rs,發(fā)射端和接收端的諧振電容分別為C1、C2,發(fā)射線圈的電感量為L(zhǎng)1,電阻為R1,接收線圈的電感量為L(zhǎng)2,電阻為R2,負(fù)載阻抗為RL,兩線圈間互感為M。

為達(dá)到無(wú)線充電的功能,該電路需要一次側(cè)由L1、C1組成的諧振電路和二次側(cè)由L2、C2組成的諧振電路的振蕩頻率一致,設(shè)其振蕩頻率為w,則其諧振條件如下:

因此,為達(dá)到良好的振蕩效果,應(yīng)設(shè)置好C1、R1、L1、C2、R2、L2,并使其滿足式(1)起振的條件。

為更好地分析上述電磁感應(yīng)式無(wú)線充電的等效模型,由KVL方程可得,該電路的一次側(cè)回路和二次側(cè)回路方程如下:

由式(2)可求得一次側(cè)電流I1和二次側(cè)電流I2的大小。由于電路產(chǎn)生諧振的條件是oL=,因此諧振電流I1和I2的大小為:

由功率公式可知,該電路的二次側(cè)負(fù)載功率大小P為:

由效率公式可知,該電路的傳輸效率為:

針對(duì)自激推挽式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng),要考慮無(wú)線充電的幾個(gè)重要指標(biāo),包括:充電功率、充電效率及充電距離,其中充電功率和充電效率的計(jì)算公式如式(+)和式(+)所示,為自激推挽式無(wú)線電能的傳輸提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。從式(+)和式(+)也可以看出,要提高充電功率和效率,應(yīng)設(shè)置好振蕩頻率w。

3無(wú)線充電關(guān)鍵技術(shù)

無(wú)線充電技術(shù)的發(fā)展能夠?yàn)槿藗兊纳顜?lái)便利,但目前因?yàn)榧夹g(shù)尚未成熟,仍然存在一些技術(shù)瓶頸。針對(duì)當(dāng)前無(wú)線充電設(shè)備的特點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用的需求,需要對(duì)無(wú)線充電關(guān)鍵技術(shù)做進(jìn)一步的深入研究和探索。

3.1充電位置及充電距離

當(dāng)前所采用的無(wú)線充電器,對(duì)便攜式電子設(shè)備充電時(shí),要求發(fā)射線圈和接收線圈的擺放位置盡可能地重疊,保證無(wú)線充電的傳輸效果達(dá)到最好。同時(shí),為提高電能傳輸?shù)男?對(duì)一次側(cè)線圈和二次側(cè)線圈的距離要求盡可能靠近,因此電子產(chǎn)品在充電時(shí)會(huì)受到一定空間范圍的約束,以保證其充電效率[+]。

3.2多負(fù)載

便攜式電子產(chǎn)品具有體積小、數(shù)量多的特點(diǎn),因此可能在應(yīng)用中會(huì)存在需要同時(shí)給多個(gè)電子產(chǎn)品充電的情況,這就要求無(wú)線充電器能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)給多個(gè)負(fù)載傳輸電能,此時(shí)會(huì)存在電能分配的問(wèn)題,同時(shí)多個(gè)接收線圈之間也會(huì)存在交叉耦合,從而引起諧振頻率的改變。因此,實(shí)現(xiàn)可控的功率分配和可隨動(dòng)的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)才能實(shí)現(xiàn)高效的多負(fù)載無(wú)線電能傳輸。

3.3電磁安全

無(wú)線充電設(shè)備的工作原理是電磁場(chǎng)的互相轉(zhuǎn)換,因此電磁安全也成為了一個(gè)必須關(guān)注的問(wèn)題,高電磁輻射會(huì)影響人體健康。文獻(xiàn)[+]通過(guò)詳細(xì)分析電磁感應(yīng)式無(wú)線充電產(chǎn)品在工作過(guò)程中的電磁輻射,提出該標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的電磁輻射超出了規(guī)定水平。因此,為解決電磁輻射問(wèn)題,文獻(xiàn)[6]提出了可以通過(guò)電磁屏蔽的方式進(jìn)行抑制,減小設(shè)備對(duì)人體的危害,可以采用磁性材料進(jìn)行電磁輻射的屏蔽。

4無(wú)線充電技術(shù)展望

當(dāng)前,利用無(wú)線充電技術(shù)可以擺脫有線充電的束縛,降低設(shè)備的磨損率,使公共充電區(qū)域的面積相對(duì)減小。無(wú)線充電技術(shù)使充電操作變得更加方便,且能夠?qū)崿F(xiàn)一定距離無(wú)線電能的轉(zhuǎn)換,但大功率無(wú)線充電的傳輸距離只限制在有限距離以內(nèi),當(dāng)前技術(shù)仍不成熟,設(shè)備的經(jīng)濟(jì)成本投入較高,維修費(fèi)用大,且設(shè)備的耗能較高。同時(shí),隨著無(wú)線充電設(shè)備的距離和功率的增大,無(wú)用功的耗損也會(huì)增大。無(wú)線充電技術(shù)本身是將電網(wǎng)電壓降壓整流變?yōu)橹绷麟?再通過(guò)較高頻率的開(kāi)關(guān)控制,將直流電逆變?yōu)榻涣麟娸敵?實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳輸。在大功率的交直交電流轉(zhuǎn)換過(guò)程中,電能進(jìn)行了二次能量的轉(zhuǎn)換和傳輸,所以電磁的空間磁損率較大。

無(wú)線充電技術(shù)為我們的生活帶來(lái)便利的同時(shí),由于技術(shù)不成熟,仍存在諸多不足之處,并沒(méi)有真正得到大眾的認(rèn)可。因此,未來(lái)無(wú)線充電技術(shù)可嘗試從如下方面進(jìn)行突破:

(1)+5技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了新的機(jī)遇。隨著+5技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,無(wú)線充電裝置也會(huì)逐步接入信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通過(guò)+5技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)信息網(wǎng)絡(luò)對(duì)于無(wú)線充電裝置的控制和能量分配問(wèn)題的解決。

(2)新材料的不斷開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。無(wú)線電能傳輸中存在的傳輸效率問(wèn)題,電磁安全問(wèn)題都可以嘗試從材料力學(xué)的發(fā)展上得到突破,如超材料、超導(dǎo)體等材料是否可以應(yīng)用于無(wú)線充電技術(shù),從而有效提升無(wú)線電能傳輸?shù)墓β屎途嚯x,減少無(wú)線電能傳輸過(guò)程中的損耗,降低線圈發(fā)熱,需進(jìn)一步研究和探索。

5結(jié)語(yǔ)

本文首先介紹了目前主流的四種無(wú)線充電技術(shù),并進(jìn)行了對(duì)比:然后對(duì)電磁感應(yīng)式無(wú)線充電技術(shù)進(jìn)行了原理分析,就自激推挽式無(wú)線充電系統(tǒng)建立了等效模型,并分析了這種無(wú)線充電系統(tǒng)的負(fù)載功率及傳輸效率:接著針對(duì)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中存在的特點(diǎn),梳理了便攜式設(shè)備無(wú)線充電的關(guān)鍵技術(shù),包括充電位置及充電距離、多負(fù)載、電磁安全等相關(guān)問(wèn)題:最后分析了當(dāng)前無(wú)線充電技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和面臨的技術(shù)難題。

無(wú)線充電技術(shù)在便攜式設(shè)備中有著良好的應(yīng)用前景。隨著相關(guān)研究的進(jìn)一步深入,現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的一些特殊問(wèn)題正被逐一解決,無(wú)線充電技術(shù)必然會(huì)取代有線充電技術(shù),讓便攜式設(shè)備實(shí)現(xiàn)真正意義上隨時(shí)隨地的無(wú)線充電。