无线充电不只有Qi,详解WiTricity标准

2013-07-23 10:11:29来源: 电子发烧友

  对于无线充电,大家了解得最多的应该是WPC推动的Qi标准,另外还有来自A4WP和PMA的相关标准,然而这几大联盟虽然能够实现无线充电,但由于都是采用电磁感应实现电力传输,因此有着各种各样的制肘。就拿应用最广的Qi标准来说,在实施无线充电的时候,不但对手机的摆放距离有要求,同时在手机的摆放位置上要求都比较苛刻。就方便应用来说,这种充电方式未免能够吸引更多的消费者的兴趣。

  而美国WiTricity公司早前推出的无线充电技术则可以完全解决这些问题,由于采用了磁共振的无线充电技术,它允许手机离开充电器的一段距离充电,同时对位置要求要没那么严格,同时还可以同时为多款设备充电。而它能做到的不仅仅是充电。难道这才是无线充电的未来?

  Witricity的前世今生

  代号为“Witricity”的技术最早是由美国MIT助理教授Marin Soljacic发明的,他并在前几年的美国物理研究所举行的工业物理论坛上介绍了这一成果,据之前的展示,他们可以达成了透过无线充电的方式点亮两公尺外的60W灯泡的初步目标。之后该技术相关团队就从MIT独立出来成立了同名的Witricity公司。

  不同于Qi等标准的电磁感应式充电,Witricity是以磁场共振的方式来实现无线供电。而实现无线传输电力的关键在于磁场耦合共振器(Magnetically Coupled Resonator),也就是图1中左右两端的线圈装置,同种的共振器是一对用6毫米铜线缠绕5.25圈,具备电感电容(LC)特性的线圈型天线,其LC共振频率为9.90MHz。

  

  图1

  这个技术的关键在于非辐射性磁耦合的使用。“两个相同频率的谐振物体将会产生很强的相互耦合,而只有与远离谐振环境的物体有较弱的交互,” Soljacic表示,“正是物理原理实现了非辐射性无线能量的传输。”

  目前,磁耦合被用于短距离范围,以对电池进行充电,如在电子牙刷中,但它要求正在充电的设备非常靠近感应线圈,这是因为磁场能量随着距离变大会迅速丢失。在传统的磁感应中,距离只能通过增加磁场强度来增加。

  另一方面,WiTricity使用匹配的谐振天线,可使磁耦合在几英尺的距离内发生,而不需要增强磁场强度。其它组织则演示了较长距离的射频无线功率传输,但传输的功率只有几微瓦到几毫瓦。

  演示装置(图2)包括直径约为3英尺的匹配的铜线圈,以及与电源相连的工作频率在兆赫范围的传输线圈。接收线圈在非辐射性磁场内部发生谐振,并以相同的频率振荡,然后有效地利用磁感应来点亮灯泡。

  

  图2

  Soljacic在灯泡演示中让他的整个设计团队成员站在发送和接收天线之间,这表明谐振天线甚至其间有有物理存在时也能保持耦合。灯泡继续发光,而不受障碍物的影响。该团队声称,如果没有匹配天线产生的谐振,那么将会有一百万多倍的能量被用在传输线圈中,以实现传统的非辐射性磁感应。

  MIT的实验配置如下:

  一对半径30公分的LC共振器,彼此距离两公尺,以及在接收端上配置的60瓦灯泡(图7)。首先,从Colpitts共振器利用电磁诱导将电力送到传送器的线圈,然后因磁场共振,将电力传送到接收器的线圈,之后再利用电磁诱导提供电力给电灯而发亮。乍看之下整个系统似乎找不到电容器,但其实是分布于导线中的静电容量就是电容器。实验系统的共振频率约为10MHz,与利用Maxwell方程式所解出来的理论值相当一致。唯一还须进一步说明的是纯铜的Q值为2,300,而系统的实际测定值为1,000。目前研究团队认为这是导线表面氧化所造成的。因为10MHz的高频将对导线造成集肤效应(Skin Effect),使电流仅在导线表面10微米薄层流过。
 为什么是电磁共振方式?

  其实电力的无线传输是一个很古老的选题,号称爱迪生一辈子对手的尼古拉特斯拉就穷其一生经历去研究这项技术,神秘的“通古斯大爆炸”传言就是特斯拉的实验灾难。

  而我们想进行数公尺到数十公尺的距离内传送数据,利用最普及的无线网络是最方便的方法,也曾经有人尝试过。然而事实证明电磁波并不适合来载送能量或电力。

  以广播接收为例,射频广播台的基地台以数十或数百千瓦(kW)大功率朝360度方向发射广播讯号,但与发射机的功率相比,接收机所能接收到只能用微乎其微来形容,其能量传输效率实在太低。

  利用指向性的天线或雷射使电磁波集中朝同一方向发射是一个理论上可行做法,实际上也有人在1968年就提出轨道太阳能发电站(Solar Power Station)的构想,企图将搭载有巨大太阳能发电系统的人造卫星,以微波的方法传送到地球的构想。但由于卫星上的传送器必须不停的追随接收器,因此实际应用上受到太多局限。

  而MIT选用的方法是共振现象。共振是自然界极为平常的现象,种类繁多。乐器有音响共振,小孩荡秋千的机械共振,电磁场的共振,核磁气的共振等。这一些共振共通的特征,即是能量交换只会发生在振动频率一样的两个物体之间。

  

  中学共振实验用到得共振音叉

  频率不一致的两个物体间则不传递能量。例如以音响共振来说,假设在房间中置放一百个酒杯,个别注入些许不同数量的液体,使每个不同酒杯有其固定的振动频率。当有个歌剧的歌手大声练习发声的时候,与其声调相同,也就是振动频率相同的酒杯,将出现强烈的共鸣,但其它振动频率不同的酒杯则什么事也不会发生。

  MIT所运用的方式乃是电磁场共振。具体来说是利用所谓「Evanescent Tail」近接场作为两个物体间能量传送的媒介。Evanescent Tail可以视为一种随着距离急速衰减的电磁场。

  要利用电磁共振理论来进行能量传送,传送效率、有效传送距离、障碍物对于能量传输的影响,尤其重要的是对于人类身体是否有不良的影响等等,都须要详细的实验与评估。

  MIT的传送系统,有传送器与接收器,各自安装上共振体,并对传送器注入能量。当传送器与接收器开始共鸣时,传送器的能量递减,接收器逐渐累积。等到传送器端的能量用尽时,共振也随之停止。这些能量可以用来驱动机械或对电池充电。

  而为了提高能量的传送效率,MIT研究小组采用「强耦合区域」这种在自然界也会出现的共振现象。强耦合区域是一种能让κ/Γ值远大于一的场合。简单言之,κ与Γ是决定能量传送效率的关键参数。具体来说,κ定量表示结合强度,Γ是电磁波放射或吸收引起系统能量损失大小的比例量。总之,κ/Γ远大于一成立的强结合区域,能量传送速度远高于损失速度,换句话说,能量的传送效率就比较高。

  κ的计算式子可以运用耦合模式理论(Coupled-Mode Theory, CMT)来求得近似值。结合模式理论Q值接近于ω/2Γ。

  

  κ值越大结合强度越高,能量交换越高。能量损失小就表示Γ值小,也就是说Q值大。Q值与Γ值成反比。

  接着来看传送距离。κ/Γ远大于1是MIT团队的实验重点,而引发强耦合区域则是实现高能量传送效率的物理根据。κ/Γ除了是传送效率的函数,其本身也是距离的函数。当共鸣的两个物体逐渐拉开距离时,结合度越弱。依据实验显示,当κ/Γ小于1时,能量损失将变得非常大(图3)。

  

  图3 κ值与距离的关系

  若是考虑实际应用情境,在进行系统设计时必须花费一番功夫,特别是在传送器的大小与形状上,要善加思考。

  其次,来看实际应用时障碍物的影响。此点可以利用Maxwell方程式来解得数值。利用耦合模式理论也可以获得近似值。

  根据数据计算的结果,即使将传送器或是接收器等振动体移近墙壁,Q值仅有减少一点,也就是说对于能量损失的影响并不大。即使将传送器埋入墙壁中间,Q值也仅减少约一半。

  在实际的生活环境当中,障碍物的比介电率的实数值多半很小。比如说,混凝土约为4.5、木材为1.2~5、石英玻璃为4,因此所造成的介电损失非常小。不过也有例外,水就是明显一例。当传送器相当接近水时,共鸣的Q值就滑落到正常数值的三分之一左右。但即使如此,就实用的角度来看还是勉强可以接受。
 Witricity的发展现状

  由于WiTricity的自身特性,其应用领域十分广泛。比如各种家庭用途或军事用途机器装置,电动车、可携式装置、医疗仪器、感应器、电气毛毯或具备暖房功能之装置等等均有可能。

  而在年初的CES 2013上,WiTricity公司试制并出了使用该公司磁场共振技术的多款无线供电产品,下面让我们了解一下这个技术的具体应用:

  首先看一下智能手机方面,WiTricity开发了小型薄膜状共振器,展示了将其内置在智能手机的电池盖及机壳中的示例。为了实现共振器的小型化以用在智能手机中,WiTricity将供电用频率设定为6.78MHz。共振器为薄膜状,因此还可轻松嵌入带有曲面的机壳中,此次该公司展示了在小型蓝牙耳机中嵌入共振器的试制机。

  图4 中央的透明圆筒中的是支持无线供电的蓝牙耳机。展示的系统同时还能为放在圆筒上的智能手机充电。

  另外,该公司此次还新开发了可同时为支持业界团体“WPC(wireless power consortium)”推进的标准“Qi”、采用以色列Powermat公司的充电技术、以及配备WiTricity公司技术的3种智能手机充电的充电座。用1台充电座实现基于三种不同标准的充电还属首次。WiTricity公司负责人表示:“将来,多种无线供电标准并存的可能性较高。希望到那时用1台充电座即可对采用这些标准的各种设备充电。”

  图5:据称可同时为Qi标准、Powermat技术及WiTricity技术3种技术的智能手机充电。

  而在电视机方面,WiTricity利用其开发的系统为三星电子的电视机供电、驱动其工作,使用的是250kHz这一更低的频率。该试制机送电侧与受电侧的距离为50cm 左右,但可通过改变共振器的尺寸进一步延长传输距离。

  图6:试制的电视机无线充电系统。从下部无线供电,驱动了电视机。

  此外,WiTricity还展示了在5号电池中嵌入薄膜状共振器进行充电的概念产品。

  图7:试制的能够为5号电池无线供电的概念产品。

  另外还有只需将数码相机及遥控器等多种便携终端放入其中即可为其充电的“充电箱”。这两款概念产品使用的频率也是250kHz。

  图8: 展示了同时为电池、遥控器及数码相机进行非接触充电的“充电箱”概念产品。

  另外还有WiTricity和日本阿尔卑斯电气的最新合作的无线供电系统,这是由一个使用大线圈的送电装置和两个手掌大小的受电装置构成的系统,可同时向两个受电装置供电。

  阿尔卑斯电气介绍称,“从受电装置可离开送电装置这一点来看,磁共振方式大幅扩大了无线电力传输的应用范围”。

  图9:参考展出的磁共振式无线供电系统

  图10:向机器人的机械臂供电。送、受电线圈相隔80mm以上。正在供应5W的电力。

  写在最后:

  关于无线充电,需要考虑的不仅仅是充电效率和范围的问题,有时候还得考虑所谓的无线充电是否会对人生造成伤害的问题,而团队当时也做过相关实验。

  团队领导者利用在他办公室内负责整理书籍的机器人来模拟人体。在这个实验中,MIT团队依然是以高介电体的磁盘来当作传送接收器。传送器安置在天花板的中央位置,接收器安装在机器人上,机器人会来回走动。房间是立方体,床、墙壁与天花板都是相同的材质。传送器的形状与输出,制约少弹性大,传送器内部的能量损失暂不考虑,重点在接收端的能量损失。

  首先,利用电磁波主体对机器人传送电力,结果发现机器人相对于办公室来说小很多,仅能接收微小部分。利用高介电体的磁盘间的共振,机器人走到房间中央时,距离最短,接收电力最大,而机器人走到房间角落时,接收电力较小。若将机器人当成人类来计算模拟时,人类所吸收的能量非常微小,只会造成些许微温,这是电场在人类皮肤表面引起的焦耳热。

  

  图11:使用LC共振器的无线电力传送系统

  然而,即使温度再如何微小,都有潜在性的危险,也因此才必须采用磁场共振系统,例如LC共振器,而非高介电体磁盘来实现无线电力传输(图6)。使用LC线圈的最大好处就在于在LC线圈的外部的能量几乎全是磁场能量,而磁场在人类的生活空间中随处可见,对人体造成影响程度很小。例如医学上所使用的核磁共振摄影(Magnetic Resonance Imaging, MRI)检查装置,对人类身体的所发射的磁场强度就非常强,其它还有线性马达、甚至是磁力漂浮式的床等等,也都会在人类的生活环境中造成强烈的磁场,但事实证明这些磁场对人体并不会造成健康上的疑虑。

  利用数值计算磁场共振的结果,该LC共振器的Q值在回路半径30公分的场合约4,000。共振的频率为9MHz,换算成波长为33公尺。当两者距离1.5公尺时,能量传送效率达90%。若是3公尺远,传送效率达45%,κ/Γ大于1。

  若是将LC共振器使用于前述模拟的办公室房间时,假设传送器使用的LC共振器半径为1公尺,并安置在离床3公尺高的天花板上,接上10MHz的交流电源。而接收端侧的共振器半径则为30公分,Q值为1,000左右。在此状况下,电力的传送效率与使用高介电率的碟盘相同的程度,但人体的吸收能量几乎是零,因此对人类而言安全许多。

  因此,我们期待着无线充电的又一次新突破,那么在这块上的大范围推广就指日可待了。

关键字:无线充电

编辑:冀凯 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2013/0723/article_23923.html
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