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无线充电技术 及DAWNCAP 专用谐振电容
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无线充电技术,即Wireless charging technology,是指具有电池的装置不需要借助于电导线,利用电磁波感应原理或者其他相关的交流感应技术,在发送端和接收端用相应的设备来发送和接收产生感应的交流信号来进行充电的一项技术,源于无线电力输送技术。

无线充电技术的研究,源于19世纪30年代,迈克尔-法拉第发现电磁感应现象,即磁通量变化产生感应电动势,从而在电线中产生电流。但最早的无线电力传输思想是尼古拉-特斯拉(Nikola Tesla) 在19世纪90年代提出的无线电力传输构想和无线输电试验,因而有人称之为无线电能传输之父。


技术原理

从具体的技术原理及解决方案来说,目前无线充电技术主要有电磁感应式、磁共振式、无线电波式、电场耦合式四种基本方式。这几种技术分别适用于近程、中短程与远程电力传送。

各种无线充电方式都有各自的特点,具体比较如表1所示。

无线充电各种原理方案的比较

表1 无线充电各种原理方案的比较

当前最成熟、最普遍的是电磁感应式。其根本原理是利用电磁感应原理,类似于变压器,在发送端和接收端各有一个线圈,初级线圈上通一定频率的交流电,由于电磁感应在次级线圈中产生一定的电流,从而将能量从传输端转移到接收端,如图1所示。PWC联盟发起者Powermat公司用电磁感应式推出过一款WiCC充电卡,与SD卡差不多大,内部嵌有线圈和电极等组件,插入现有智能手机电池旁边即可使用。

无线充电各种原理方案的比较

图1 电磁感应式无线充电原理

磁共振式无线充电#e#


磁共振式也称为近场谐振式,由能量发送装置,和能量接收装置组成,当两个装置调整到相同频率,或者说在一个特定的频率上共振,它们就可以交换彼此的能量,其原理与声音的共振原理相同,排列在磁场中的相同振动频率的线圈,可从一个向另一个供电,如图2。技术难点是小型化和高效率化,被认为是将来最有希望广泛应用于电动汽车无线充电的一种方式。

无线充电各种原理方案的比较

图2 磁共振式无线充电示意图

无线电波式,基本原理类似于早期使用的矿石收音机,主要有微波发射装置和微波接收装置组成。典型的是20世纪60年代布朗(William C. Brown)的微波输电系统,其示意图如图3。整个传输系统包括微波源、发射天线、接收天线3部分;微波源内有磁控管,能控制源在2. 45 GHz频段输出一定的功率;发射天线是64个缝隙的天线阵,接收天线拥有25%的收集和转换效率。日本龙谷大学的移动式无线充电系统,也是通过频率为2.45GHz 的微波送电,点亮了行驶中的模型警车的警灯。

无线充电各种原理方案的比较

图3 无线电波式电能传输

电场耦合式利用通过沿垂直方向耦合的两组非对称偶极子而产生的感应电场来传输电能,其基本原理是通过电场将电能从发送端转移到接收端。这种方式主要是村田制作所采用,具有抗水平错位能力较强的特点。

[导读] 支持无线充电的智能手机从2011年夏季前后开始上市。任何厂商的任何机型均可使用的“Qi”规格将成为全球标准。停车即可充电的EV(电动汽车)用充电系统也在推进研发。
支持无线充电的智能手机从2011年夏季前后开始上市。任何厂商的任何机型均可使用的“Qi”规格将成为全球标准。停车即可充电的EV(电动汽车)用充电系统也在推进研发。

无线充电已经在电动牙刷、电动剃须刀、无线电话等部分家电产品中实用化,现在其应用范围又扩大到了智能手机领域。

NTT DoCoMo在2011年夏季以后陆续上市了多款支持无线充电的智能手机和充电座。这些手机无需在手机上插上充电线缆,只需放置在充电座上即可为电池充电。今后NTT DoCoMo将在电影院、餐厅、酒店、机场休息室等公共场所设置充电座,便于用户在外出时使用。

松下的“无接点充电板”

软银移动也预定2012年1月上市支持无线充电的智能手机。KDDI正在开发车载式智能手机的无线充电座。

未来无线充电的应用范围将有望扩大到EV的充电系统。

目前,市场上支持无线充电的智能手机和充电器大部分都符合总部位于美国的业界团体“无线充电联盟(WPC)”所制定的“Qi”规格。Qi源自汉语“气功”中的“气”,以松下、韩国三星电子、英国索尼爱立信、芬兰诺基亚、电装为首,许多国家的家电厂商和汽车厂商都相继加盟了WPC。

无线充电原理

无线充电方式包括“磁共振”及“电波接收”等多种方式,Qi采用的是“电磁感应方式”。通过实现标准化,只要是带有Qi标志的产品,无论是哪家厂商的哪款机型均可充电。

19世纪发现的物理现象

电磁感应方式采用了19世纪上半期发现的物理现象。众所周知,电流流过线圈时,周围会产生磁场。1820年,丹麦物理学家汉斯·奥斯特(Hans Oersted)发现了这种电磁效应。

用没有通电的其他线圈接近该磁场,线圈中就会产生电流,由此点亮灯泡。1831年,英国物理学家迈克尔·法拉第(Michael Faraday)发现了这个可从线圈向线圈供电的物理现象,并称之为电磁感应现象。

磁共振方式

日立麦克赛尔的无线充电器

无线充电使用的充电座和终端分别内置了线圈,使二者靠近便开始从充电座向终端供电。为提高供电效率,需要使线圈之间的位置对齐,不产生偏移。因此,各厂商在位置定位方法方面纷纷开动脑筋。

从事智能手机外设业务的日本Oar公司于2011年8月推出了名为“无线充电板”的充电座。内置有磁铁,用于将终端吸引到指定位置。

松下于2011年6月投放了无线充电座“无接点充电板”。尺寸约为鼠标垫大小,表示实现了“位置自由(Free Positioning)”,将终端放在充电板上的任何位置均可充电。

充电座内部的线圈带有驱动装置,可在平面中移动。通过自动检测终端放置位置,并移动至该位置,使线圈的位置相一致。

该充电座的开发人员、松下集团三洋电机能源设备公司(SANYO Electric Energy Devices Company)充电系统事业部长佐野正人就位置自由实现实用化的理由解释说,“用户希望能更便利地充电”。

日立麦克赛尔于2011年4月面向美国苹果的人气智能手机“iPhone”上市了无线充电器“AIR VOLTAGE”。由于iPhone不支持无线充电,所以需要套上内置有线圈的专用外壳才能使用。

电场耦合方式不使用线圈


另外,麦克赛尔的充电座有为一部终端充电和为两部终端充电的款式。两部款的尺寸为鼠标垫大小,可在左右各放置一部终端。内部排列了14个线圈,左右各7个,用这些线圈覆盖了充电座的广大范围。由此,终端可以比较自由地放置在充电座上。在7个线圈中可最多自动选择3个能高效传输的线圈来供电。

日立麦克赛尔2011年11月还面向“iPad2”上市了无线充电器“AIR VOLTAGEfor iPad2”。该充电器未采用Qi规格,而是全球首次采用了“电场耦合方式”。

电场耦合方式不使用线圈,而是在供电侧和受电侧设置电极,利用二者之间产生的电场供电。为iPad2套上内置有受电用电极的专用外壳来充电。

电场耦合方式的特点是,输出功率比Qi大,即使电极之间的位置稍有偏移也可维持高传输效率。模块由村田制作所开发。

EV的无线充电

EV的无线充电方面,采用磁共振方式的汽车厂商比较多。

磁共振方式由美国麻省理工学院(MIT)物理学家马林·索尔贾希克(Marin Soljacic)于2007年进行了验证,自此受到了广泛关注。

磁共振方式的原理与声音的共振原理相同。排列好振动频率相同的音叉,一个发声的话,其他的也会共振发声。同样,排列在磁场中的相同振动频率的线圈,也可从一个向另一个供电。

利用共振还可延长传输距离。电磁感应方式的供电距离最大为数mm~10cm左右,而磁共振方式如果线圈够大,可向数m远以外供电。

汽车的车底到地面一般有15cm左右的距离。如果在车底安装受电线圈,在自家停车场的地面埋入供电线圈,便可在停车时充电。能够省去连接充电线缆的麻烦。

另外,磁共振方式不同于电磁感应方式,无需使线圈间的位置完全吻合。即使停车位置与固定位置稍微错开,线圈之间也会共振。

还将用于磁悬浮

三菱汽车2011年9月与美国风险企业WiTricity和IHI就共同开发磁共振方式无线充电系统达成了一致。在2011年12月上旬于东京有明国际展示场(东京有明国际会展中心)举行的东京车展上,展示了该无线充电系统。

供电距离为20cm,供电效率达90%以上。线圈之间最大允许错位为20cm。如果后轮靠在车挡上停车,基本能停在容许范围内。随着研究的推进,将来或许能进一步扩大容许范围。

丰田也于2011年4月与WiTricity公司就磁共振方式展开了技术合作,并在东京车展上展示了用于电动三轮踏板摩托车和四轮汽车的无线充电系统。

另外,还有将供电线圈埋入道路中,在红灯停车时和行驶中为电动汽车充电的构想,以及利用植入轨道中的线圈为行驶中的磁悬浮列车供电的设想。

除此之外,在家中的家具、地板和墙壁等中埋入线圈的研究也在推进之中。也许未来我们会迎来完全无需使用电线的生活。

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