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电气新技术

无线充电的关键技术和研究

1.绪论

21世纪是无线充电技术和通讯主宰的时代，人们对随时随地保持信息交流的移动通信服务要求越来越高，从袖珍型消费电子产品、家用电器到交通工具、医疗器械，无线充电技术融入了生活的各个角落，令快速性、互动性和监控性能大幅度提高。

随着3G网络和智能手机的大力推广，手机屏幕越来越大，其他功能如拍照、游戏、GPRS移动上网、数据处理、音乐、视频播放等迅速推广，手机的功能越来越强大，同时，手机的耗电量也迅速攀升。

有数据显示，视频播放的耗电量是普通语音业务的2-3倍。

过去待机时间的需求只局限于少部分用户群，但是现在逐渐发展成一种普遍需求。

手机待机时间的长短很大程度上取决于电池的性能。

然而，根据市场调研，在短期内，手机电池的技术不会有重大进展，燃料电池还没有真正达到实用化的阶段[1—3]。

一方面，增加电池的体积，虽然增加了手机待机的时间，但是同时也使手机的便携性下降。

另外一方面，国家颁布的手机充电

器的统一标准，在具体实施中遇到很多技术问题。

尽管得益于蓝牙、Wi-Fi、无线电频率、超宽带无线通信技术和全球定位系统（GPRS）等技术的发展，我们取得了或多或少的成功，但消费者想要享受彻底的无线生活，还有最后的一道障碍：

电源线W。

在通用电源供应联盟所进行的研究显示[4]，消费者要求得到"更简单、更方便、更快捷的充电体验"，而且全球每年生产和运输几十亿个电源适配器，会造成生产、可用性、环境等方面的问题，因此，人们对无线充电方案的兴趣日益浓厚。

2.国内外研究背景

无线充电理论并不是新的技术，一百八十年前，无线充电的概念首次被提出，此后，奥斯特、法拉第、特斯拉和马可尼等世界著名的科学家先后在实验室中进行潜心研究[5-8]。

由于无线充电的效率低，距离极短，安全性差等因素阻碍了此技术的推广．现阶段某些新型材料出现和技术的进步，一定程度上克服了以上缺点．生活小家电和手持终端的流行，为小功率无线充电的市场化提供了广阔的空间，更适应现代生活的要求，提高生活品质．新能源行业的发展，又进一步促使了此技术的革新．纯电动汽车的充电一般为利用家用充电器进行补电，大概需要7个小时，或者到专业的充电机进行补电，大概需要3个小时，或者到专业的充电站进行快速换电等方式进行,可见，以上充电方式或者时间太长、或者操作复杂，一定程度制约纯电动汽车市场的快速增长．无线充电技术，可以不限时间和空间给电动汽车补电，在一定程度上解决了上面的问题。

这样，大功率无线充电系统为纯电动汽车业发展注入了强有力的动力．本文分别从无线充电系统的控制部分和松耦合变压器部分进行关键技术研究和分析．

3.无线充电技术的分类

到目前为止最为广泛的三种无线充电技术分别为[9-10]:

电磁感应式（利用电流通过线圈产生磁场实现近场无线供电）、磁场共振式（利用磁耦合共振效应近场无线供电）、电波辐射式（电能转换为电波通过辐射传输供电）。

（1）电磁感应充电式是使用最广的一种方式，其原理类似于分离的空心变压器。

飞利浦的电动牙刷就是此类应用。

感应式充电技术以现代控制理论为理论基础，利用能量交换技术、磁场稱合技术，实现能量从静止设备向可移动设备的非接触传递。

非接触充电式的出现代替了传统的传导充电方法在适应性、安全性与自主充电方面的缺点和不足。

（2）磁场共振充电技术的电能可以发送3-4m的距离，而且，可以发送高达几千瓦的大功率[12]。

磁场共振充电技术更适用于在短距离内需要大功率电源的地方，如机器人、汽车、真空吸尘器等。

另外，还有采用射频点播发射能量的方法[14]。

美国的Powercast,目前占有射频波段无线能量传输的领先地位。

与需要接触的充电埜子不同，Powercast公司推出的无线供电组件，在915MHz的波段下，可以在一米的范围内给小型电子设备充电，而接收器则利用共振线圈吸收射频电波。

（3）无线电充电又称为电波接收型，波长短，其定向性好，弥散小，最大发送距离长为10m，但是能够接收的功率很小，只有几毫瓦到一百毫瓦。

因此，其主要用途是在便携式终端设备中提供待机时所消耗的功率。

电能发送器装入室内的电灯等电器中，可能不需要特意将便携式终端放置于充电器上就可以进行充电，从而大大减轻了用户的负担。

此外，这项技术非常适用于点滴式充电，譬如为仓库中装满产品的托盘外面所贴的高级RFID芯片进行充电。

（4）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。

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。

2011年11月，日立麦克赛尔面向"iPad2"上市了无线充电器"AIRVOLTAGEforiPad2"。

该充电器未采用Qi规格，是全球首次采用"电场耦合方式"。

为iPad2套上内置有受电用电极的专用外壳来充电。

4.无线充电技术的应用现状

（1）感应充电技术又称为非接触式充电，是一种适应性、安全性较高的能量传输充电方式，这种技术可以用在很多领域，如许多高校、研究所、公司都在研究这项技术[11]。

但是该技术也有缺点，能量是通过线圈间的交变磁场进行传递，能量会随稱合线圈距离的变化而变化。

目前这种非接触式的充电技术在某些领域得到广泛的应用，常见的有像"鼠标垫"一样的充电台，利用电磁感应的原理将多个电子产品放到一个"鼠标塾"上同时充电，充电垫内有多个小型线圈，向不同方向产生磁场，所以不用精确定位，在电子产品上装有接收线圈，充电时，磁性材料做成的接收线圈就会产生感应电流，能量经稱合线圈直接给电子产品充电。

充电垫内磁场小，对周围磁场敏感的东西如信用卡、会员卡等不会产生影响。

该解决方案提供商包括英国Splashpower、美国WildCharge等公司，这种感应式无线充电传输方式的优点是结构相对简单、制造成本较低、技术可靠，但是传输功率较小、传送

距离短，一般只适用于为小型便携式电子设备供电。

美国德州仪器试制出了符合无线供电业界团体"WPC（无线充电联盟）"制定的"Qi"标准的非接触充电模块，并在MobileWorldCongress2012上进行了展示。

并且，德州仪器还将该模块安装到平板终端的背面，展示了实际进行非接触充电的情形。

美国DuracdlPowermat公司开发出了只需嵌入到现有智能手机的电池旁边，便可使终端支持非接触充电的卡片"WICC:

WirelessChargingCard"o

（2）磁场共振技术在无线充电技术中大有进展。

2007年6月7日，美国《科学》杂志的网站上发表了麻省理工学院的助理教授马林（MarinSoljacic）和他的研究小组的研究成果。

经历四年的实验研究取得了研究成果。

他们在实验中使用了两个直径为50crn的铜线圈[13]，一个线圈放在传送电力方，另一个在接受电力方，通过调整发射频率

使两个线圈在lOMHz产生共振，从而成功点亮了距离电力发射端2m以外的一盘60W灯泡，效率为45%。

而且，即使在电源与灯泡中间摆上木头、金属或其它电器，都不会影响灯泡发光。

目前这项技术的最远输电距离还只能达到2.7m，但研究者相信，电源已经可以在这个范围内为电池充电。

而且只需要安装一个电源，就可以为整个屋子里的家用电器供电。

海尔利用这项无线供电技术实现了机身上没有电源插头的大屏幕电视，在美国举行的"2010InternationalCES"上展出。

并演示了播放以无线传输高清影像的高速通信标准"WHDI（WirelessHomeDigitalInterface）"传输的影像。

此为电视机身上无"电线"的试制品。

2011年10月26-28日，韩国三星电子于太平洋横滨会展中心举行的"2011FPDInternational"上展出了采用磁共振方式无线供电的3D眼镜，吸引了与会者的关注。

（3）利用微波或激光形式来实现电能的远程传输，这对于新能源的开发和利用、解决未来能源短缺等问题也有着重要意义。

因此，许多国家都没有放弃这方面的研究。

1968年，美国工程师彼得格拉泽提出了一个大胆的设想，在地球外层空间中建立太阳能发电基地，通过微波将电能送回地球。

进而出现了（SpaceSolarPower,SSP）空间太阳能发电的概念。

1979年，美国航空航天局NASA和美国能源部联合提出太阳能计划，根据计算可得，离地球约3.6xl04km的静止轨道上，能量约是地球上接收太阳能的1.4倍，在那里建立"SPS（SolarPowersatellite）太阳能卫星基准系统"。

目前，SPS（SolarPowersatellite）的建设方法、天线的放射特性、微波发送装置的姿态控制、宇宙空间的微波传播特性、为确保故障时安全的保安系统等都是亟待解决的技术问题。

欧盟在非洲的留尼汪岛建造了一座10万千瓦的实验型微波输电装置，已于2003年向当地村庄送电[15]。

日本打算在2020年建造试验型太空太阳能发电站SPS2000，2050年进入大规模运行。

从研究领域看，世界各地都有研究进展。

新西兰（NewZealand）和美（America）在供电理论和实际应用方面均有多项成就，引领了该项技术的发展方向；日本（Japan）侧重于实用设计方案；德国（German）无线传输的结构设计和优化方面发表了很多论文，加拿大（Canada）在电力电子机动车方面应用了该技术，南非（SouthAfrica）对变压器进行了设计和系统优化；韩国（Korea）在理论上分析了非接触变压器的理论；中国在分离式变压器、系统电路的实际应用领域有很多研究[16]。

从研究成果上看，新西兰（NewZealand）设计出了多种电路拓扑，大部分是在非接触充电系统理论方面，美国（America）把技术和实际应用联系在一起；日本（Japan）提供了很多实际的供电系统，在无线充电领域发挥了很大作用；德国（German）和韩国（Korea）把这些理论主要应用在交通设备和电气设备等领域[17-18];而中国在具体方面的应用更多，申请专利多数为实用型，但是深层次的研究不多，稳定高效的实用模型较少。

5.无线充电技术的应用前景

无线充电技术经过数年的推广与演进后开始受到各界瞩目。

其方便性可以让消费者愿意支付额外的费用购买无线充电相关产品，由于各厂商对这项技术有自己的表述，所以无线充电、感应式电力、非接触充电、无接点充电都是泛指相同的技术，距离1mm到数公里都一样是无线，供电端与受电端交互作用就称感应，所以无线充电是广义的名词没有一定的标准。

无线充电技术研究的目的是，把手机作为主要研究对象的无线充电器，进行设计最适合的发送端线圈和接收端线圈，使能量传递更多，传输效率更高。

该研究与手机终端制造厂的供给事业展开合作，同时采用新的安全对策提高多功能充电等电力技术的传输，并且，应用方面不仅仅局限在手机终端制造厂，而是将开发市场的目光集中在其他各种各样的电力传送事业上。

感应耦合供电方式在许多领域具有特殊优势[19—20]，如：

环境条件相对恶劣的条件下，如水族箱中灯光和水循环系统及化学腐蚀等环境；环境相对危险的地方，可以有效防止摩擦时间过长而导致爆炸或者火灾，如地下煤矿、喷漆车间等；人体医疗领域，有些医疗器材必须在人体内部工作，如定时药剂泵、胶囊内窥镜等，采用无线供电方案可以大大延长器材的工作时间，极具实用价值；移动设备如单轨行车装置、自动运行车辆、机器移动部件等设备的供电等。

如果无线充电系统大面积的运用于生活中，将给人们带来更多的便利。

如无线充电系统用一个发送端就能给多个客户端同时充电，尤其对手机的用户，功率小到3-5W,很容易实现体积微型化和薄型化，不仅可以防止安全事故的发生，还满足了市场上一物多求的需求。

研究无线供电法律制度等问题的日本宽频无线研讨会（BroadbandWirelessForum）计划围绕面向数字家电产品、白色家电、电动车辆以及产业设备的应用展开了讨论，日本总务省也表示将对这类活动进行支援。

鉴于无线充电技术的便捷性、可用性和安全性，也许在不久的将来，手机等大量数码产品的适配器都会截然消失，取而代之的是移动无线充电设备，给人们带来的利益不同凡响。

6.充电技术未来的研究方向

在无线电能发展的同时，越来越多的公司尝试利用多项技术推动专有解决方案的发展，这些技术包括电感耦合、电导耦合和无线电频率[21-24]。

首先，若以专有方式将无线电能推向市场，可能会妨碍消费者通过全球通用的单一解决方案来满足对各个品牌设备的各种电力需求，而这恰恰是当今有线充电技术最大的问题之一。

其次，以电磁感应原理进行能量传输存在不足，如发送线圈和接收线圈必须接近完全耦合，如果有错位，传输效率就会急剧下降，因此，线圈之间实现位置的自由成为一大难题。

可以排列大量的发送线圈等方法解决该问题，但是增加了系统的成本。

所以实现位置的自由也是一个值得研究的问题之一。

第三，无线供电技术不仅可以供电，还可以用来传输数据，也是未来的发展方向之一。

例如该技术用于传输多媒体播放器、数码相机、智能手机等设备存储的数据，把便携式数码设备放在基座上，充电的同时还可以实现数据的交换和传输。

这样可以减少供电设备的数据端口，降低端口的使用频率和发生故障的概率，此外，更容易实现设备的超薄化。

7.结束语

无线充电的标准化对整个产业的发展，包括产业链中各个环节来讲都是有利的[24-26]。

所以从国家和产业的宏观角度来讲，统一的无线充电标准是符合产业整体利益的，统一的标准化程度越高，产品成本越低。

电子产品将来的发展的方向趋向于开放化和标准化。

只需用一个发送端，无线充电系统就可以给多个用户终端同时充电，制定统一的无线充电标准，这样就可以为所有符合这一标准制造的可充电电池用同一充电装置充电，实现通用性。

对于能否建立一个可为消费者提供便捷充电为所有品牌的设备充电的通用标准，成为全球无线电能业界会议上热切讨论的问题之一。

在没有通用标准的情况下，无线电能的广泛应用将依然是一项巨大的挑战，也将成为必然趋势[27—29]。

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