无线充电技术解析

2012-12-20 来源:微波射频网搜集整理 我要评论(0) 字号:

随着生活中的笔记本、手机、MP4、数码相机、PSP等电子设备越来越多,在不知不觉中各种“理不清”的线缆以及需要事先布置好的插座却给我们带来了与日俱增的困扰。尽管目前已经有红外、射频、蓝牙等无线数据传输方式可以减少线缆数量,但基于最基本的电力能源供应仍基于有线传输,“蛛网缠身”的感觉挥之不去。近来,科技的迅速发展让无线电力传输研究有了很大突破,为电子设备无线充电也已成为了可能,真正实现了“无线”的意义。

游戏中的电磁波武器

提起无线充电,可以从最早的特斯拉线圈说起。大家一定对《红色警戒2》游戏中的特斯拉塔影响颇深,这种杀伤力极大的武器就是根据特斯拉线圈的雏形幻想而来。美籍科学家尼古拉•特斯拉在1891年发明“特斯拉线圈”,这种装置可以产生频率很高的无线高压电流,不过该高压电的电流极小,对人体不会产生较大的生理影响。

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特斯拉线圈由线圈、打火器、电容和升压变压器组成

从原理来看,在特斯拉线圈中,电源要先给主电容充电,当电压达到打火器的放电阀值时,打火器间隙的空气开始电离打火,近似导通,使初级谐振回路建立,开始振荡,向次级回路传递能量。次级回路随即起振,接收能量。几个周波后,初级回路能量释放完毕。此时,较大部分的能量都转移到次级回路上,一部分能量损耗在回路上。特斯拉线圈放电频度都在每秒100次以上,所以使肉眼看上去为类似闪电的连续放电效果。在当时,特斯拉就利用这些线圈进行一系列创新实验,如电气照明、荧光光谱、X射线、电疗等,从而开创了无线电力传输的先河。但是因为投资巨大,这项技术“胎死腹中”,最终只是出现在科幻小说或游戏中。

彻彻底底地实现无线

1.不同的传输方式

虽然特斯拉线圈在当时并没有得到推行,但后人从理论上完全证实了这种方案的可行性,经过多年研究,科学家们认为进行无线电力传输是可能的。无线电力传输是一种区别于有线传输的特殊供电方式,目前它存在电磁感应、电磁共振和微波三种不同的方式,这三种技术分别适用于近程、中短程与远程电力传送。

其中电磁感应是将线圈中的电流直接以电磁波形式进行1cm以下的近距离收发,收发设备需要有较高的识别能力,由于电磁波是向四面八方辐射而大量散失,因此效率较低,通常它只适合相互“贴着”的小功率电子产品。电磁共振方式是利用电流通过线圈产生同频率的磁场共振实现无线供电,磁场的强弱决定了它的传输距离和效率,它可以实现10m左右距离的室内供电。微波方式是将电力以微波或激光形式发射到远程的接收设备,然后通过整流、调制等处理后使用。几种技术各有特点,近来电磁感应和电磁共振技术取得了突破,更适合我们平时的日常应用。

2.利用磁场产生电能

在中学的物理课本上,我们都知道电力是由线圈旋转切割磁场产生的。当两个设备中分别使用了一个具备振荡电路特性的线圈组成一对收发天线,让其中一个天线发送能量,另一个天线则接收能量。当向其中的发送线圈加载数兆赫兹的交流电场之后,其天线周围产生磁场,通过相同频率共振向处于一定距离之外的另一根天线传输电力,从而实现了无线电力传输。Intel西雅图实验室就试制出了这样的磁场耦合共振电力收发器,可以在两米距离内无线给60W灯泡提供电力。Intel首席技术官Justin Rattner表示,未来可以将无线充电装置安装在办公桌内部,只要将笔记本、手机等放在桌上就能够立即供电。

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磁场耦合共振电力收发器点亮灯泡

在未来,我们可以将无线充电装置放在办公室、旅馆和机场的顶部,只要身处发射共振有效工作距离之内,就能立即为笔记本、手机无线充电,就像现在已经十分普及的WiFi无线上网一样简单。我们不再需要随身携带充电器,不再为各种不匹配的接口而发愁,也不必为延长待机时间而使用笨重的电池了。或者我们可以在自家的墙上安装一个电力发射器,这样所有的家用电器也可以实现无线充电。

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微软设计出无线供电桌面,只需将笔记本、手机等随意放置在桌面上便会自动地开始供电

3.线圈决定效率

Intel等众多研发团队正在考虑如何将无线充电系统嵌入小型设备中,这需要克服诸多难题,如接收装置的大小、传输距离的局限、传输过程中能量的损耗等。无论是电磁感应,还是电磁共振技术,效率都和产生磁场的线圈大小有关。如果要将它内置到充电装置和笔记本、手机等便携设备中,就必须精简线圈尺寸,由此发送和接收效率自然也会随之下降,由此需要更先进的控制芯片以及收发电路设计使无线电能的传输效率提升到75%以上,从而让无线供电的效率更高,充电时间更短。

同时,距离也是无线电力传输一大障碍,距离越远损耗越大,接收端能感应到电能也就越少。然而在通常情况下,当接收端天线的固有频率与发射端的磁场频率一致时,就会产生共振,此时磁场耦合强度明显增强,无线电力的传输效率大幅度提高。不过,这种电磁场的频率可能对设备内部的其他部件造成干扰。

成品让应用更为便捷

经过多年的讨论和研究,关于无线充电技术并非空谈,目前我们已经可以看到不少此类产品推出,一些公司也都拥有各自的技术专利。这些技术不尽相似,它都有一个专门的供电发送端,内部有许多线圈,通电后可产生磁场,而接收端内部也内置了一个接收线圈,放在供电发送端附近时就可以接收其内部磁场产生的电能,并将它传输给待充电设备内部的电池。

有许多厂家为Apple、摩托罗拉等手机提供了不少无线充电方案,WildCharge公司为其设计了一种接头套件,接头内部由电感线圈组成,将它与手机的充电接口连接。安装好后,只要把手机放到充电板上就可以开始无线充电了,这个接头和充电板总价约80美元。也就是说,即使现在的手机、MP3产品中没有嵌入无线接收线圈也同样可以实现无线充电,这无疑可以让普通产品迈入无线充电的门槛降低。另外,WildCharger还推出了功率较大的产品,除了可以给多种手机和MP4充电,还可以为笔记本充电。

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WildCharge通过特殊接口能给多种手机充电

SplashPower公司推出了形同鼠标垫的无线充电器Splash pads,只需要把要充电的设备放在上面就可以开始充电,可以同时对多个设备充电。在Splash Pads的塑胶薄膜里面装有产生磁场的小线圈阵列,而内置磁性接收线圈的接收端可以贴在电子设备的电池上。

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Splash pads能为多种设备充电

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Splash pads的结构示意图

在今年的CES上,Powercast公司展出了一种可以安装在墙上电源插头的发送器,以及可以安装在任何低电压产品中的微型接收器,可在半径约1米范围内为不同产品的电池充电。整个系统并不复杂,而且造价低廉,只需5美元。Powercast声称已与生产手机、汽车配件及助听器等的公司签署合作协议,尤其是植入人体的仪器,往往需要动手术才可以换电池,假如使用无线充电系统,病人就不会有再次开刀的痛苦了。

想要普及无线充电技术,需要形成一个国际通行的标准,收发设备之间需要具备广泛的兼容性,各家产品之间也要能互换。目前由包括飞利浦、奥林巴斯、三洋和德州仪器等八家大厂组成了无线充电技术协会,该协会已经为使用5W以下的低功耗电子设备制定了标准,这意味着无线充电技术的标准化正式走向实施阶段。在不久的将来,新的标准能让便携式设备具备无线电力传输的功能,并让这个充电过程更为方便,省去了插拔接头的过程。

结语

无线充电技术的推行为我们带来了更为方便的应用,真正实现“无线”的意义,当所有家用电器实现无线充电时,我们就可以对电线及插座说“再见”了。同时作为一种科学研究,无线电力传输可以带动其他科技领域的发展,比如卫星、飞机、汽车之间的能量传输都可以使用无线方式。任何技术都是双刃剑,在将其应用到实践中,尤其是应用到与人类的日常生活息息相关的家电产品中时,难免会让人对其产生质疑。因为电磁波在空间传输的定向性差,使本来不多的能量衰竭得更快,无线传输功率低,整体效率差,而且会对空间造成很大的电磁污染,在未屏蔽的情况下会影响用户健康,这些都是无线充电技术一直没有得到很好应用的原因。

无线充电技术可能还有很长一段路要走,即使在实现了无线充电后,如何进行频率管理也是一个问题。同时需要我们对目前的手机或者设备进行一定程度上的改造,使得其拥有一个能够接受电磁波的装置,这可能也需要一段时间。因此厂家在技术的研究中需要仔细权衡其中的利弊得失,让科技最大程度地惠及人类。

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