Qi无线充电技术系统综述Word文档格式.docx

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无线充电器的传输效率会高于或低于其取代的有线充电器，具体视有线充电器数量、充电器类型以及用户的使用习惯而定。

我们估计，在一般情况下，如果您用一个无线充电器取代两个有线充电器，则无线充电器与有线充电器效率相当。

相关计算的详情如下。

对无线充电器耗电量的测算

有线充电器耗电量

首先计算一个传统手机充电器的耗电量。

此类充电器就是所谓的“外接式电源适配器”。

能源之星网站提供了大量数据。

登录该网站可以发现，一般情况下，符合EnergyStart标准的交流转直流电源适配器：

∙满载时的效率：

5瓦的电源适配器的平均效率为72%

∙空载时的耗电量：

5瓦的电源适配器的平均耗电量为0.12瓦，一些特别好的电源适配器的耗电量仅为0.01瓦。

假设您每天使用电源适配器1小时，其余时间一直将电源适配器插在电源上。

充电完毕后，人们通常不会将电源适配器和底座从电源上拔出。

虽然这种做法并不可取，但却很常见。

由此产生的总耗电量如下：

∙充电：

1小时*2瓦/72%=2.8瓦时（假设一个5瓦的充电器在一次完整的充电中平均供电2瓦）

∙待机（空载）：

23小时*0.12瓦=2.8瓦时

由此可见，待机耗电量在手机充电器的总耗电量中所占比重很高。

无线充电器的耗电量

我们的无线充电器同样包含一个交流转直流电源适配器。

假设其效率同样为72%以及待机耗电量同样为0.12瓦。

[注：

无线充电器的待机耗电量远低于0.12瓦，此处仅为方便对比说明。

]无线充电连接的传输效率一般为70%。

我们假设利用该无线充电器取代2个有线充电器，总耗电量为：

1小时*4瓦/72%/70%=7.9瓦时（同时为2台装置充电）

与有线充电器的对比

两个有线充电器的总耗电量：

2*（2.8+2.8）=11.2瓦时

一个为两台装置充电的无线充电器的总耗电量：

7.9+2.8=10.7瓦时

由此可见，两者的总耗电量大致相当。

虽然无线传输的效率明显不如铜线传输，但是当利用无线充电器取代多个外接式电源适配器时，无线充电器能够减少待机耗电。

感应电能传输的基本原理

DriesvanWageningen和EberhardWaffenschmidt，PhilipsResearch

感应耦合电能传输系统的基本原理如图1所示。

这个系统由发射器线圈L1和接收器线圈L2组成，两个线圈共同构成一个电磁耦合感应器。

发射器线圈所携带的交流电生成磁场，并通过感应使接收器线圈产生电压。

这种电压可用于为移动设备供电或为电池充电。

电能传输效率取决于感应器之间的耦合（k）和它们的品质（Q）。

（见优值系数）

耦合不仅与两个感应器之间的距离（z）以及相对大小（D2/D）有关，还与线圈的形状和它们之间的角度有关（图上无显示）。

传输效率

图2显示在品质因数为100的情况下，图1所示的系统理论上可达到的最佳效率。

所有的尺寸都按照发射器和接收器线圈中较大的线圈D的直径进行了调整。

这个值是根据线圈之间的轴向距离（z/D）计算得出的。

参数为较小线圈D2的直径。

从图中可以看出

∙距离越大（z/D>

1）或线圈大小差距越大，效率降低的幅度越大

∙距离越小（z/D<

0.1），线圈大小越接近（D2/D=0.5..1），效率越高

这表示，远距离（相隔一定的空间）的感应电能传输效率非常低。

我们目前还无法解决在普通电器中采用这个系统时所产生的能源浪费问题。

而在设备附近（例如表面）进行的感应电能传输则可以真正做到高效，其效率可与有线传输比拟。

无线近距离电能传输集舒适性和易用性于一体，符合当今社会对节能的要求。

功率损耗优值系数（FOM）

DriesvanWageningen及EberhardWaffenschmidt，PhilipsResearch

无线充电系统受系统内部功率损耗的限制。

损耗造成能量流失，并产生热量限制最大的转化传输功率。

因此，优化系统必须尽可能降低功率损耗。

功率损耗可表示为损耗因数

即与所转化能量相关的所有损耗总和与所传输能量的比值。

对给定无线充电系统，我们可以进一步分析得出其最低损耗因数（如与负载和电源恰当匹配）：

以上公式可简化为：

（简化公式由EskoStrö

mmer提供，特此鸣谢）

上述等式可用图3表示。

等式仅取决于无线充电系统的两个基本参数：

接收器和发射器线圈之间的耦合因数k以及系统品质因数Q。

系统品质因数即发射器和接收器品质因数的几何平均值。

等式显示，系统品质因数Q与耦合因数k之积决定优值系数（FOM）。

这意味着系统品质因数和耦合因数对系统表现起着等效的制约作用。

较低的耦合度可通过较佳的品质因数实现线性补偿，反之亦然。

品质因数

EberhardWaffenschmidt，PhilipsResearch

对于不同的绕组布置，如体积和形状相同，则线圈电感L与电阻R的比率维持不变。

因此，可将此比率值作为区分不同线圈结构的品质因数。

品质因数Q即按此比率定义。

电感中同一电流下产生的电压与频率f成比例关系，因而与设备的视在功率有关。

品质因数的一般定义以设备视在功率与功率损耗的比率为基础。

按此定义，线圈的品质因数可表示为：

其中ω=2πf：

品质因数Q的范围介于0至无穷大。

然而，线圈的品质因数在技术上很难超逾1000，大多为100左右。

品质因数低于10者则用处不大。

此等数值应该被视作特定数量级。

在工作频率不变的情况下，品质因数Q仅与线圈形状和大小以及所使用的材料一阶相关。

特定技术（如线绕线圈、PCB线圈）可提供特定的品质因数。

耦合因数

如果接收器线圈和发射器线圈相隔一定的距离，那么发射器线圈产生的磁通量仅有一部分能到达接收器线圈，达到电能传输的目的。

接收器接收的磁通量越多，表明两个线圈之间的耦合程度越高。

耦合的级别用耦合因数k表示。

耦合因数是一个介于0和1之间的值。

1表示全耦合，这时产生的磁通量全部被接收器所接收。

0表示发射器和接收器线圈之间相互独立构成一个系统。

耦合因数与两个感应器之间的距离和它们的相对大小有关，还与线圈的形状和它们之间的角度有关。

如果最初线圈的中轴是对齐的，任何移位都可能导致k值减小。

图6以直径为30毫米的平面线圈为例说明移位的影响。

该图表示的是两个平行线圈在水平方向不同的错位距离上实际测量和计算所得的耦合因数。

耦合因数一般在0.3至0.6范围之间变动。

需要注意的是，如果出现耦合因数为负的情况，则表示接收器是“从后面”接收磁通量的。

耦合因数的定义表示为：

它是由耦合感应器的相关普通方程组变形而来：

其中，U1和U2表示通过两个线圈所受的电压，I1和I2表示流入两个线圈的电流，L1和L2为两个线圈的自感系数，L12为两个耦合线圈的互感系数，而ω=2πf则为角频率。

耦合因数可由关于开环电压u的现有等式计算得出：

如果两个线圈的自感值相等，那么开环电压u与k相等。

反射阻抗

Xun（Ken）Liu,ConvenientPower

“反射阻抗”是分析谐振耦合的实用工具。

图1（a）显示的是一个耦合电路模型，通过将电容器（Cs）串联到二次绕组形成谐振槽回路。

Rp、Lp、Rs和Ls分别是一次绕组的电阻和电感及二次绕组的电阻和电感。

M是一次和二次绕组的互感，RL是负载的等效电阻。

图1（b）是带反射阻抗的等效一次绕组电路模型。

图1（a）耦合电路模型

图1（b）带反射阻抗的等效一次绕组电路模型

反射阻抗（Zr）可用以下公式表示：

其中，ReZr为反射阻抗的实部，需最大化以实现一次绕组的最高效率。

分析上述公式得知，当二次绕组在谐振条件下工作时，

反射阻抗（ReZr）实现最大化，并等于假设

（如果，则在限定频率范围内并无最大值。

）

我们还可得知，上述ReZr最大值随频率的提高、互感的增强或负载电阻和二次绕组电阻的降低而增大。

但需注意的是，负载电阻的大幅下降可能会影响二次绕组的效率，因为二次绕组效率等于

事实上，其他谐振拓扑结构（如并联谐振或串、并联组合）亦可应用于二次绕组，并可按上述类似方式进行分析和优化。

[参考]:

X.Liu,W.M.Ng,C.K.LeeandS.Y.R.Hui,"

Optimaloperationofcontactlesstransformerswithresonanceatsecondarycircuit"

inAPEC'

08,pp.645-650,Feb.2008,USA

谐振耦合

从感应电能传输开始，谐振电路便用于增强感应电能的传输。

早在一百多年前，尼古拉•特斯拉（NikolaTesla）就已在他第一个关于感应电能传输的实验中应用了谐振原理。

尤其是在具有低耦合因数的系统中，谐振接收器可以提高电能的传输。

谐振电能传输是一个特殊但又在感应电能传输中广泛应用的方法，但同时又受到与磁场辐射和效率相同的制约因素所限制。

为了理解其工作原理，我们将其和机械谐振进行比较。

首先将一条线调到某个特定的频率作为机械谐振器，在音调（频率）匹配的情况下，即使是一个远处的低音发生器所发出的声音也会引起这条线振动。

其中，接收器中的谐振器由接收器电感和电容组成。

发射器也有一个谐振器。

总体配置如图6a所示。

发射器和接收器中的线圈LTx和LRx可以视为弱耦合变压器。

因而可得出由磁化及杂散电感组成的等效电路图（如图6b所示）。

图中同时也已显示绕组的电阻。

该图已清晰地显示，谐振电容已抵消接收器的杂散电感和发射器的磁化电感。

至此，电能传输中剩下的唯一限制因素就是线圈的绕线电阻，这些绕线电阻的阻抗比电感的阻抗要低一到两个数量级。

因此，就一个特定的电源而言，可接收更多电能。

电磁场限值-国际非电离辐射防护委员会颁布的基本限制

电磁场（EMF）这个词常用于表示人类所接触到的电磁场。

EMF的频率范围十分宽广（0-300GHz），有时也被称为电磁辐射（EMR）或电磁能（EME）。

电磁场普遍存在于我们的周边环境中，地球、太阳和电离层都是EMF的天然来源。

电场和磁场都是电磁频谱的一部分。

电磁频谱包括静电场和磁场、来自射频的干线电能源频率（50/60Hz）、射频、红外线、可见光至X射线等。

电磁频谱—上图显示电磁频谱分为电离和非电离部分。

WPC的Qi产品使用的电磁波属于电磁频谱的非电离区域。

非电离表示这些电波能量极低，不足以对人体组