无线充电技术应用攻略(一):用原理制作实物

2012-05-14 11:31:17来源: 互联网

我们都知道,无线能源似乎是一个听起来很棒的新奇概念,但是我们很难想象会很快将它实现商业化。

  无线充电是什么?

  无线充电是指利用电磁波感应原理进行充电的设备,原理类似于变压器。在发送和接收端各有一个线圈,发送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。

无线充电技术应用攻略(一):用原理制作实物

  无线充电技术,源于无线电力输送技术,利用磁共振在充电器与设备之间的空气中传输电荷,线圈和电容器则在充电器与设备之间形成共振,实现电能高效传输的技术。

  据engadget报道,美国宾州的一家公司,目前靠着这个 Powercast 技术,已经和超过百家的主要电子产品公司,签下内容尚未公开的合作案,包括一些耗电量 “相对较低” 的电子产品,诸如手机、MP3 随身听,还有汽车零件、温度感应器、助听器,甚至是医疗仪器等的制造业者。

  基本上整个系统包含了两件东西,一个是插在插座上的发信器,另一个电子产品上,跟硬币大小差不多的接收器(技术核心),只要在一定的范围内(目前是在 90 厘米的距离内),电源能够瞬间自发信器传到对应的接受器。

  该项技术之所以会得到这么多家厂商的青睐,原因是在他独特的无线电波接收装置,能够根据不同的负载、电场强度来作调整,同时还能维持稳定的直流电压,这也表示在空中乱喷的电磁波功率,能够被减到最低。(据说这种设备已经获得了 FCC 的认可)

  最神奇的是,这接收器的制造成本,竟然只要 5 块钱美金;目前预计将在 2008 年底,也许会更快,就会出现在部份的电子产品上头了。另外各位常常在外奔波的笔电使用者,也不用心急,等到各位的笔电/UMPC 耗电量降到了个位数(目前的极限),你将来在外头上网,应该是不需要带充电器了,不过以后网络费可能要跟电费绑在一起了。


  二、无线充电系统设计原理与实物制作

  到了2011年初,无线充电技术经过数年的推广与演进后开始受到各界瞩目。无线充电是指具有电池的装置透过无线感应的方式取得电力而进行充电,其方便性可以让消费者愿意支付额外的费用购买无线充电相关产品;因为有商机才会有厂商愿意投入相关产品开发,目前可以知道非常多知名品牌厂商已经将无线充电这个功能列入新一代的产品的规格之一。由于这产技术相当新颖且各厂商有自己对技术的表述,所以无线充电、感应式电力、非接触充电、无接点充电都是泛指相同的技术,距离1mm到数公尺都是一样是无线,供电端与受电端交互作用就称感应,所以无线充电是广义的名词没有一定的规格。

  原理简单,实作困难

  无线充电的方法在实验阶段有开发出很多方法,但目前唯一有机会量产商品化为线圈感应式。线圈感应式的原理很简单,是百年前就被发现物理现象,但过去长久以来这样的线圈感应只运用在绕线式的变压器中。早期就有人发现将绕线式的变压器的将“E”型铁心绕线后对向紧贴后接上市电就可以感应传电,但距离略为分开后感应效果就消失,这是因为在市电60Hz下,电磁波传递会随着距离增加能量快速衰退。在现今的应用中,由于装置本身需要有外壳包装,发射端加上接收端的外壳厚度至少从3mm起算,早期电动牙刷产品开发时就发现当距离拉开后需要将线圈上的操作频率提高才能让电力能传送的更远;在电磁波中有一个特性,就是频率越高的电磁波可以传送比较长的距离后能量衰减较低。后来RFID应用开始发展,主要就规划的三个频段LF低频(125~135KHz)、HF高频(13.56MHz)、UHF超高频(860~960MHz)可以使用,而这些频段也造就了目前无线电力系统在设计之初频率采用的参考点。早在10年前电动牙刷的无线充电就已经上市,当时的传送功率小、充电时间长,在现在的智能手持装置的耗电状况来看,当时的充电能量不敷使用所以10年来还无法实用化。但这几年来发展出新的技术可用较高的“共振”接收效率运作方式,由于这个技术较新所以各界的说法很多,但都是有一个很重要的特性,就是接收线圈上都会有配置电容来构成一个具有频率特性的接收天线,在特定的频率下可以得到较大的功率移转。这部份就跟早期的电磁感应不同,当距离拉开后依然就可以得到良好的电力传送效果。共振的原理非常简单,就跟钢琴调音师一样放不同水量的玻璃杯,在精准的调音下可以将某个玻璃杯透过共振将其振碎;但其它的文章都没有提到,若是没有经过专业钢琴调音师训练的一般人,可能永远也调不出可以让玻璃杯振碎的频率!这就是原理简单、实作困难。

  

  展示简单,上市困难

  电子零件出厂时就像是未调过音的钢琴,钢琴透过专业的调音师精准调校后可以发出高品质的声音;当大量生产后为了成本考量可能就无法在每一个产品都经由专业人员调校再出货,如果每一个产品都要专业人员来修正那就会有困难,因为专业人员有限。这就跟目前可以看到很多无线充电产品在很久前就发表了,在发表会上产品都可以完美演出,但过了很久的等待后还没见产品上市?就跟刚提到的例子一样,无线充电的产品为了达到很好的共振效果必需经过精准的调校,在这样的状况下量产会变的非常困难。所以无线充电系统的设计首先必需要能针对共振这部份能自我调整,这样才能解决量产难题。2008年INTEL即发表了可以离一公尺距离的两个线圈传送电力用以点亮60瓦特灯泡,发表当时也宣告了无线电力时代已经到来;但三年过去了相关产品还是没有上市,仔细想一下可以相距一公尺传送电力,这么强大的电磁能量就算对人体没影响、对周遭的电气制品会有非常大的杀伤力。无线电力系统的原理与烹调电磁炉相同,透过电磁波来传送能量只不过目标不同,电磁炉使用频率约50KHz能量发出后给锅具加热用已烹饪,过去网络上就有流传过一段影片就是将手机放在运作中的电磁炉表面上,在短时间内手机即烧毁,这样的原理一样电磁波会穿过手机外壳直接对内部的金属构造加热终至烧毁。前文题到过,为了加长传送距离必需提高传送频率,电磁炉的频率较低在离开数公分后就衰减到安全界限以下,INTEL发表的相距一公尺传送电力必需将频率提高到约13MHz才能传送,在这个状况下线圈之间若是存在金属物体将会被加热而发生危险,表演中工作人员可以站在两个线圈中间不会有危险,是因为人体内的金属成份很少所以温度上升有限。当电磁波频率加到1GHz以上就会直接对水分子加热;这个原理就变成微波炉了,水分子被电磁波搅动后发出热量。所以微波炉与电磁炉不一样,必需在屏蔽体内操作避免为害到人体。这部份又与市面上的无线通讯产品不同,因为能量差距甚大;无线电力系统需要传送电力而发送到受电装置所以需高功率传送,无线通讯产品收到低功率讯号后再透过内部的电池将讯号放大处理。所以不管是在13MHz会对金属加热或是1GHz以上直接伤害人体,无线电力在设计时必需解决安全的问题才能上市,这就是展示简单、上市困难。

三大效能指针:效率、安全、功率

  电动牙刷早在10年前就堆出无线充电了,当时由于功率需求低所以不需要考虑效率与安全。早期的系统转换效率只有20%-30%,且没有安全机制并不会辩识目标连续供电,这样的系统就与微型电磁炉一样。由于功率很小,接收需求只有0.1W上下,只有20%的转换效率下即有80%的能量于传送中转成热量散逸,这样推算发射器提供0.5W的能量到接收器为0.1W的能量,0.4W产生的热量有限对系统的温度上升不明显,且系统最大输出能力也不大即0.5W,所以在发射器上放置金属异物也不会产生危险;但今日的装置需求远高于0.1W,以热销的智能型手机来看接收需要5V-1A 即5W的充电能量,若用电动牙刷的系统进行设计问题就会很大了,接收端5W的需求在只有20%的转换效率下有20W的能量转换成热能散逸,这样的能量会产生庞大的热能会导致系统温度大幅上升,在这样的推算下,系统最大输出能力会在25W,若为无安全设计下于发射器上放置金属异物可能会导致火灾意外,所以在功率需求提高后衍生的问题需要全新的设计来完成无线充电,所以10年前即出现的无线充电到今还改良之中。新设计的系统需为了达到目标功率,必需先解决效率与安全的问题。

  高转换效率仰赖先进规格零件与材料

  现今无线充电系统都采用共振的方式进行设计,在架构上都大至相同有下列这些构造:

  发射器内有

  1.直流电源输入

  2.频率产生装置

  3. 切换电力的开关

  4. 发射的线圈与电容谐振组合

  

  接收器内有

  A. 接收的线圈与电容谐振组合

  B. 整流器

  C. 滤波与稳压器

  D. 直流电源输出

  

在样的架构下从发射器的1.直流电源输入到接收器 D.直流电源输出应过的每一个环节都是效率损耗的要点,在电源电路中电流通过的每一个有阻抗特性的零件都会在上面损

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关键字:无线  充电技术

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/0514/article_15952.html
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