电磁场理论在无线充电技术中的应用

1电磁场理论在无线充电技术中的应用摘要：无线充电已经在电动牙刷、电动剃须刀、无绳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及电动汽车和列车领域。未来可以将无线充电装置安装在办公桌内部,只要将笔记本或PDA等电器放在桌上就能够立即供电。本文详细介绍了四种主要的无线充电技术，即电磁感应式充电、磁共振式充电、无线电波式充电和电场耦合式充电。关键词：无线充电电磁感应磁共振无线电波电场耦合0.引言近年来，智能手机相关的技术日益成熟，其所带来的科技成就也不断地引人注目。扔掉电源线，给自己的智能手机进行无线充电，这对于许多人来说可能有点天方夜谭。但事实上，无线充电技术其实很久以前就出现了，不过经过近几年的发展，现在才变得成熟好用，并很快就要进入大规模的商用化时代，这项不为大众所熟悉的技术，正悄然来到我们的面前。1.无线充电技术分类所谓无线充电技术（Wirelesschargingtechnology），顾名思义，是通过空气向电子设备传送能量来达到充电的目的。无线充电技术可以分为四种类型。第一类是通过电磁感应“磁耦合”进行短程传输，它的特点是传输距离短、使用位置相对固定，但是能量效率高、技术简单，很适合作为无线充电技术使用。第二类是将电能以电磁波“射频”或非辐射性谐振“磁共振”等形式传输，它具有较高的效率和非常好的灵活性，是目前业内的开发重点。第三类是将电能以微波的形式无线传送——发射到远端的接收天线，然后通过整流、调制等处理后使用，虽然这种方式能效很低，但使用最为方便，英特尔是这项方案的支持者。第四类则是“电场耦合”的方式，它具有体积小、发热量小和高效率的优势，缺点在于开发和支持者较少，不利于普及。表1四种无线充电方式无线供电方式示意图简要说明电磁感应方式利用两个平行排列的线圈间因电磁感应而产生感应电流的原理来供电的方式磁共振方式其原理与电磁感应方式相同，利用磁共振方式进行的非接触式供电电场耦合方式将两个平面电极平行排列，利用电场耦合的原理来供电的方式电波方式将天线接收的电波信号转换成电能的方式1.1电磁感应式充电我们今天见到的各类无线充电技术，大多是采用电磁感应技术，我们可以将这项技术看作是分离式的变压器。法拉第电磁感应定律即感应电动势与穿过回路所围面积的磁通量的时间变化率成正比，其数学表达式为2inddddtdtSBS(1）我们知道，现在广泛应用的变压器由一个磁芯和二个线圈(初级线圈、次级线圈)组成；当初级线圈两端加上一个交变电压时，磁芯中就会产生一个交变磁场，从而在次级线圈上感应一个相同频率的交流电压，电能就从输入电路传输至输出电路。根据电磁感应定律可以得到111121211221221222ddddidiuLMdtdtdtdtdtddddidiuMLdtdtdtdtdt(2)其中111,,uiL是初级线圈两端的电压，流经的电流和自感，222,,uiL是次级线圈两端的电压，流经的电流和自感，M是初级线圈和次级线圈之间的互感。工作在正弦稳态条件下的耦合电感，其复数形式的电压电流关系为：11122122UjLIjMIUjMIjLI(3)如果将发射端的线圈和接收端的线圈放在两个分离的设备中，当电能输入到发射端线圈时，就会产生一个磁场，磁场感应到接收端的线圈、就产生了电流，这样我们就构建了一套无线电能传输系统。这套系统的主要缺陷在于，磁场随着距离的增加快速减弱，一般只能在数毫米至10厘米的范围内工作，加上能量是朝着四面八方发散式的，因此感应电流远远小于输入电流，能源效率并不高。但对于近距离接触的物体这就不存在问题了。最早利用这一原理的无线充电产品是电动牙刷——电动牙刷由于经常接触到水，所以采用无接点充电方式，可使得充电接触点不暴露在外，增强了产品的防水性，也可以整体水洗。在充电插座和牙刷中各有一个线圈，当牙刷放在充电座上时就有磁耦合作用，利用电磁感应的原理来传送电力，感应电压经过整流后就可对牙刷内部的充电电池充电。线圈之间也是有可能有杂物进入的，还有某些动物（猫狗）进入里面，一旦产生电涡流，就如同电磁炉一样，安全性问题非常明显。这种工作方式用在智能手机中完全可行，苹果公司、摩托罗拉公司、LG、松下和NTTDoCoMo都在开发各自的无线充电器。理论上说，只要在充电座和手机中分别安装发射和接收电能的线圈，就能实现像电动牙刷一样的无节点充电。由此，手机的充电方式可以变得更加灵活，接口也有望得到统一，提高用户使用的方便性。1.2磁共振式充电与电磁感应方式相比，磁共振技术在距离上就有了一定的宽容度，它可以支持数厘米至数米的无线充电，使用上更加灵活。磁共振同样要使用两个规格完全匹配的线圈，一个线圈通电后产生磁场，另一个线圈因此共振、产生的电流就可以点亮灯泡或者给设备充电。除了距离较远外，磁共振方式还可以同时对多个设备进行充电，并且对设备的位置并没有严格的限制，使用灵活度在各项技术中居于榜首。在传输效率方面，磁共振方式可以达到40%～60%，虽然相对较低但也进入商用化没有任何问题。磁场共振方式，是现在最被看好、被认为是将来最有希望广泛应用于电动汽车的一种方式：磁场共振式供电，目前技术上的难点是小型、高效率化比较难。现在的技术能力大约是直径半米的线圈，能在1m左右的距离提供60w的电力。富士通公司在2010年对磁共振系统进行展示，在演示中它成功地在15厘米距离内点亮两个灯泡，具备良好的实用价值。除了富士通外，长野日本无线、索尼、高通、WiTricity都采取这项技术来开发自己的无线充电方案，其中WiTricity的应用领域是为电动汽车无线充电。1.3无线电波式充电英特尔公司是无线电波充电方式的拥护者，这项技术采用微波作为能量的传递信号，接3收方接受到能量波以后，再经过共振电路和整流电路将其还原为设备可用的直流电。这种方式就相当于我们常用的WiFi无线网络，发收双方都各自拥有一个专门的天线，所不同的是，这一次传递的不是信号而是电能量。微波的频率在300MHz～300GHz之间，波长则在毫米-分米-米级别，微波传输能量的能力非常强大，我们家庭中的微波炉即是用到它的热效应，而英特尔的微波无线充电技术，则是将微波能量转换回电信号。无线电波充电方式的缺点相当明显，就是能量是四面八方发散的，导致其能量利用效率低得出奇，如英特尔的这套方案，供应电力低至1瓦以下，乍一看起来实用性相当有限。而它的优点，则是位置高度灵活，只要将设备放在充电设备附近即可，对位置的要求很低，是最符合自然的一种充电方式。我们可以看到，当设备收发双方完全重合时，电磁感应和微波谐振方式的能量效率都达到峰值，但电磁感应明显优胜。不过随着X-Y方向发生位移，电磁感应方式出现快速的衰减，而微波谐振则要平缓得多，即便位移较大也具有相当的可用性。尽管能量和效率处于较低的水平上，乍看实用价值较为有限，但作为PC业的巨头，英特尔具有化腐朽为神奇的本领，而它的做法也相当巧妙：英特尔将超极本设计为无线充电的发送端，AtomZ平台手机作为接收端，这样只要手机放在超极本旁边，就能够在不知不觉中、连续不断地充电。相信在上班时，大多数用户都有将手机放在桌面上的习惯，此时充电工作就可以在后台开始了。即便英特尔所用的微波谐振方式只能充入很低的电量，但在长时间的充电下，智能手机产品的电力几乎将永不衰竭，至少从用户角度上看是这样，因为只要他携带着笔记本电脑、就根本不再需要关注充电问题。电波送电方式，现在则提出了利用这种技术的“太空太阳能发电技术”，可以从根本上解决电力问题。电波送电方式的“太空太阳能发电技术”应用，可以从根本上解决电力问题。利用铺设在巨大平板上的亿万片太阳电池，在太阳光照射下产生电流，将电流集中起来，转换成无线电微波，发送给地面接收站。地面接收后，将微波恢复为直流电或交流电，送给用户使用。无线供电，使得电动汽车可以提供这么一种可能：一辆电动汽车从出厂到它报废为止，终生不用你去理会电力补充问题。电动汽车，在太阳能电池技术、无线供电技术、以及自动驾驶技术的支持下，完全可以颠覆现在的交通概念。1.4电场耦合式充电电场耦合方式与“电磁感应”及“磁共振”方式都不同，它的传输媒介不是磁场而是电场。这套系统包括一个送电侧和受电侧，前者包括两组电极、一个振荡器、一个放大器和一套升压电路：Passive电极主要起接地作用，Active电极则用于产生电场。而振荡器的作用则是将输入的直流电转变为交流电，放大器和升压电路则负责提升电压。例如接入为5V的适配器，经过振荡器、放大器和升压电路后就会产生一个1.5KV的高压电，驱使Active电极产生一个高压电场。而受电侧也与此对应，接收电极感应到高压电场，再经过降压电路及整流电路后、就产生了设备能实际使用的直流电压。图1电场耦合功率传输中发送器-接收器对原理4图2无线功率传输中发送器-接收器对的等效电路相对于传统的电磁感应式，电场耦合方式有三大优点：充电时设备的位置具备一定的自由度；电极可以做得很薄、更易于嵌入；电极的温度不会显著上升，对嵌入也相当有利。首先在位置方面，虽然它的距离无法像磁共振那样能达到数米的长度，但在水平方向上也同样自由，用户将终端随意放在充电台上就能够正常充电。我们可以看到电场耦合与电磁感应的对比结果，电极或线圈间的错位用dz/D（中心点距离/直径）参数来表示，当该参数为0时，表示两者完全重合，此时能效处于最高状态。当该参数为1时，表示两者完全不重合。我们可以看到，此时电场耦合方式只是降低了20%的能量输入，设备依然是可以正常充电，而电磁感应式稍有错误、能量效率就快速下降，错位超过0.5时就完全无法正常工作，因此，电磁感应式总是需要非常精确的位置匹配。电场耦合方式的第二个特点是电极可以做到非常薄，比如它可以使用厚度仅有5微米的铜箔或者铝箔，此外对材料的形状、材料也都不要求，透明电极、薄膜电极都可以使用，除了四方形外，也可以做成其他任何非常规的形状。这些特性决定了电场耦合技术可以被很容易地整合到薄型要求高的智能手机产品中，这也是该技术相对于其他方案最显著的优点。显而易见，若采用电场耦合技术，智能手机厂商在设计产品时就有很宽松的自由度，不会在充电模块设计上遭受制肘。第三个优点就是电极部分的温度并不会上升——困扰无线充电技术的一个难题就是充电时温度较高，会导致接近电极或线圈的电池组受热劣化，进而影响电池的寿命。电场耦合方式则不存在这种困扰，电极部分的温度并不会上升，因此在内部设计方面不必太刻意。电极部分不发热主要得益于提高电压，如在充电时将电压提升到1.5kv左右，此时流过电极的电流强度只有区区数毫安，电极的发热量就可以控制得很理想。不过美中不足的是，送电模块和受电模块的电源电路仍然会产生一定的热量，一般会导致内部温度提升10～20℃左右，但电路系统可以被配置在较远的位置上，以避免对内部电池产生影响。2.总结无线充电设计最难的部分在于安全。因为无线充电系统与电磁炉一样会发射电磁波能量，有两大问题，一是长期发射，长时间下会造成能源浪费。二是当充电系统上放的金属异物，电磁波对其加热，轻则烧毁装置，重则发生火灾。所以需要有“受电端目标物辨识”，当正确的目标放置时才送电。侦测装置的方法比如：（1）磁力激活受电端装磁铁，发射端感受到磁力才发送能量。这种方法简单有效。（2）感应线圈上的资料传送，也是认为最安全的方法，与RFID原理一样，电力传送中识别码一起传送和验证。但解决系统噪声和负载电流变化的干扰是难题。无线充电技术目前还存在着一些缺陷，比如能量损耗大、不能支持大功率充电、不能支持远距离、电磁辐射大、安全隐患等问题。但这些都不能阻挡它展现它的魅力，试想一下，如果将来我们的手机、电脑等不再需要电线的束缚，如果我们再也不用随身带着大堆的数据线出远门，如果电动车等交通工具可以边走边充电，那样的生活，将是无限的便捷和美好。相信在不远的将来，科学家们能够解决这一个个技术难关，用物理改变生活，用科技让生活更加美好！5参考文献[1]常书惠．无线电能传输技术与Qi标准[J