便攜式移動設(shè)備無線充電技術(shù)研究與分析

引言

隨著科技的不斷進步,越來越多的便攜式移動電子設(shè)備為我們的生活提供了便利,變成了生活中不可或缺的部分。為了實現(xiàn)更好的人機交互體驗,這些便攜式移動電子設(shè)備正不斷推出更新穎的應(yīng)用,更大、更絢麗的屏幕,使這些設(shè)備耗電量也越來越高。然而,由于電池技術(shù)研發(fā)進度的大幅度滯后,手機續(xù)航能力有限,因此用戶需要反復(fù)進行充電。傳統(tǒng)的有線充電方式充電速度快、技術(shù)成熟,但也存在一些弊端:有線充電必須要通過繁雜的線材進行電能的傳輸,同時頻繁拔線也會帶來物理損傷,需要定期更換充電線。因此,無線充電技術(shù)成為近年來研究的熱點,蘋果、華為、三星等公司均推出了自己的高端手機,并把"高功率、快速無線充電"作為高端手機的一大亮點吸引顧客購買。

1主流無線充電技術(shù)對比

現(xiàn)階段,無線充電(wirelessCharging)技術(shù)存在四種不同的方式:電磁感應(yīng)方式、電磁共振方式、電場耦合方式、無線電波方式。四種不同方式的無線充電技術(shù)對比如表1所示。

從表1可以看出,在手機等便攜式設(shè)備上運用的無線充電技術(shù)主要是電磁感應(yīng)技術(shù)和電磁共振技術(shù),這也是目前發(fā)展較為成熟、市場占有率較高的兩種無線充電技術(shù)。無線充電技術(shù)應(yīng)用過程中,需制定相應(yīng)的標(biāo)準,使符合標(biāo)準的設(shè)備進行無線充電。但目前標(biāo)準尚未統(tǒng)一,主流的無線充電標(biāo)準有五種,包括:oi標(biāo)準、PMA標(biāo)準、A4wP標(biāo)準、iNPoFi技術(shù)、wi-Po技術(shù),其中無線充電聯(lián)盟(wPC)推出的oi標(biāo)準應(yīng)用比較廣泛,由PMA聯(lián)盟推出的PMA標(biāo)準是符合IEEE協(xié)會的標(biāo)準,在無線充電領(lǐng)域具有領(lǐng)導(dǎo)地位。這兩種標(biāo)準都是針對目前技術(shù)較為成熟的電磁感應(yīng)式無線充電方式提出的,因此,下文將詳述電磁感應(yīng)式無線充電技術(shù)。

2電磁感應(yīng)式無線充電技術(shù)

2.1電磁感應(yīng)式無線充電原理

電磁感應(yīng)式無線充電技術(shù),是利用電磁感應(yīng)原理進行無線充電的一項技術(shù),其無線電能傳輸系統(tǒng)包含兩個部分:發(fā)射端(Tx)和接收端(Rx),圖1所示為原理圖。

如圖所示,在發(fā)送和接收端各有一個線圈,發(fā)送端線圈連接有線電源產(chǎn)生電磁信號,接收端線圈感應(yīng)發(fā)送端的電磁信號從而產(chǎn)生電流給電池充電。交流電源、變頻環(huán)節(jié)、發(fā)射線圈及諧振電容構(gòu)成了發(fā)射端,接收線圈、諧振電容、整流濾波環(huán)

節(jié)及負載組成了接收端。工作流程是Tx端PCB提供電流給線圈,然后Rx端線圈將收到的變化的磁場轉(zhuǎn)換為電流,再提供給電池,從而實現(xiàn)充電的目的。

2.2無線電能傳輸系統(tǒng)等效模型

為實現(xiàn)無線充電的功能,文獻提出了一種自激推挽式零電壓高頻逆變電路,該無線電能傳輸系統(tǒng)的電路原理圖如圖2所示。

該電路利用兩個對稱開關(guān)管o1和o2的互補導(dǎo)通,便可通過LC諧振電路得到所需的正弦波,實現(xiàn)了電路的自驅(qū)動,省去了傳統(tǒng)逆變電路中的控制及驅(qū)動電路,結(jié)構(gòu)簡單,可靠性高,適用于對供電安全要求較高的無線電能傳輸系統(tǒng)。其中,o1、o2為N溝道MoSFET,型號為IRFZ44N,能夠?qū)崿F(xiàn)高頻無線電能傳輸。

對圖2進行分析,同時考慮一次側(cè)和二次側(cè)兩個線圈之間的電磁耦合關(guān)系,電磁感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)的等效電路模型如圖3所示,其中電源為Us,電源內(nèi)阻為Rs,發(fā)射端和接收端的諧振電容分別為C1、C2,發(fā)射線圈的電感量為L1,電阻為R1,接收線圈的電感量為L2,電阻為R2,負載阻抗為RL,兩線圈間互感為M。

為達到無線充電的功能,該電路需要一次側(cè)由L1、C1組成的諧振電路和二次側(cè)由L2、C2組成的諧振電路的振蕩頻率一致,設(shè)其振蕩頻率為w,則其諧振條件如下:

因此,為達到良好的振蕩效果,應(yīng)設(shè)置好C1、R1、L1、C2、R2、L2,并使其滿足式(1)起振的條件。

為更好地分析上述電磁感應(yīng)式無線充電的等效模型,由KVL方程可得,該電路的一次側(cè)回路和二次側(cè)回路方程如下:

由式(2)可求得一次側(cè)電流I1和二次側(cè)電流I2的大小。由于電路產(chǎn)生諧振的條件是oL=,因此諧振電流I1和I2的大小為:

由功率公式可知,該電路的二次側(cè)負載功率大小P為:

由效率公式可知,該電路的傳輸效率為:

針對自激推挽式無線電能傳輸系統(tǒng),要考慮無線充電的幾個重要指標(biāo),包括:充電功率、充電效率及充電距離,其中充電功率和充電效率的計算公式如式(+)和式(+)所示,為自激推挽式無線電能的傳輸提供了設(shè)計依據(jù)。從式(+)和式(+)也可以看出,要提高充電功率和效率,應(yīng)設(shè)置好振蕩頻率w。

3無線充電關(guān)鍵技術(shù)

無線充電技術(shù)的發(fā)展能夠為人們的生活帶來便利,但目前因為技術(shù)尚未成熟,仍然存在一些技術(shù)瓶頸。針對當(dāng)前無線充電設(shè)備的特點和實際應(yīng)用的需求,需要對無線充電關(guān)鍵技術(shù)做進一步的深入研究和探索。

3.1充電位置及充電距離

當(dāng)前所采用的無線充電器,對便攜式電子設(shè)備充電時,要求發(fā)射線圈和接收線圈的擺放位置盡可能地重疊,保證無線充電的傳輸效果達到最好。同時,為提高電能傳輸?shù)男?對一次側(cè)線圈和二次側(cè)線圈的距離要求盡可能靠近,因此電子產(chǎn)品在充電時會受到一定空間范圍的約束,以保證其充電效率[+]。

3.2多負載

便攜式電子產(chǎn)品具有體積小、數(shù)量多的特點,因此可能在應(yīng)用中會存在需要同時給多個電子產(chǎn)品充電的情況,這就要求無線充電器能夠同時實現(xiàn)給多個負載傳輸電能,此時會存在電能分配的問題,同時多個接收線圈之間也會存在交叉耦合,從而引起諧振頻率的改變。因此,實現(xiàn)可控的功率分配和可隨動的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)才能實現(xiàn)高效的多負載無線電能傳輸。

3.3電磁安全

無線充電設(shè)備的工作原理是電磁場的互相轉(zhuǎn)換,因此電磁安全也成為了一個必須關(guān)注的問題,高電磁輻射會影響人體健康。文獻[+]通過詳細分析電磁感應(yīng)式無線充電產(chǎn)品在工作過程中的電磁輻射,提出該標(biāo)準產(chǎn)品的電磁輻射超出了規(guī)定水平。因此,為解決電磁輻射問題,文獻[6]提出了可以通過電磁屏蔽的方式進行抑制,減小設(shè)備對人體的危害,可以采用磁性材料進行電磁輻射的屏蔽。

4無線充電技術(shù)展望

當(dāng)前,利用無線充電技術(shù)可以擺脫有線充電的束縛,降低設(shè)備的磨損率,使公共充電區(qū)域的面積相對減小。無線充電技術(shù)使充電操作變得更加方便,且能夠?qū)崿F(xiàn)一定距離無線電能的轉(zhuǎn)換,但大功率無線充電的傳輸距離只限制在有限距離以內(nèi),當(dāng)前技術(shù)仍不成熟,設(shè)備的經(jīng)濟成本投入較高,維修費用大,且設(shè)備的耗能較高。同時,隨著無線充電設(shè)備的距離和功率的增大,無用功的耗損也會增大。無線充電技術(shù)本身是將電網(wǎng)電壓降壓整流變?yōu)橹绷麟?再通過較高頻率的開關(guān)控制,將直流電逆變?yōu)榻涣麟娸敵?實現(xiàn)電能的無線傳輸。在大功率的交直交電流轉(zhuǎn)換過程中,電能進行了二次能量的轉(zhuǎn)換和傳輸,所以電磁的空間磁損率較大。

無線充電技術(shù)為我們的生活帶來便利的同時,由于技術(shù)不成熟,仍存在諸多不足之處,并沒有真正得到大眾的認可。因此,未來無線充電技術(shù)可嘗試從如下方面進行突破:

(1)+5技術(shù)的發(fā)展帶來了新的機遇。隨著+5技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,無線充電裝置也會逐步接入信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通過+5技術(shù)的發(fā)展帶動信息網(wǎng)絡(luò)對于無線充電裝置的控制和能量分配問題的解決。

(2)新材料的不斷開發(fā)和應(yīng)用。無線電能傳輸中存在的傳輸效率問題,電磁安全問題都可以嘗試從材料力學(xué)的發(fā)展上得到突破,如超材料、超導(dǎo)體等材料是否可以應(yīng)用于無線充電技術(shù),從而有效提升無線電能傳輸?shù)墓β屎途嚯x,減少無線電能傳輸過程中的損耗,降低線圈發(fā)熱,需進一步研究和探索。

5結(jié)語

本文首先介紹了目前主流的四種無線充電技術(shù),并進行了對比:然后對電磁感應(yīng)式無線充電技術(shù)進行了原理分析,就自激推挽式無線充電系統(tǒng)建立了等效模型,并分析了這種無線充電系統(tǒng)的負載功率及傳輸效率:接著針對現(xiàn)實應(yīng)用中存在的特點,梳理了便攜式設(shè)備無線充電的關(guān)鍵技術(shù),包括充電位置及充電距離、多負載、電磁安全等相關(guān)問題:最后分析了當(dāng)前無線充電技術(shù)的優(yōu)勢和面臨的技術(shù)難題。

無線充電技術(shù)在便攜式設(shè)備中有著良好的應(yīng)用前景。隨著相關(guān)研究的進一步深入,現(xiàn)實應(yīng)用中的一些特殊問題正被逐一解決,無線充電技術(shù)必然會取代有線充電技術(shù),讓便攜式設(shè)備實現(xiàn)真正意義上隨時隨地的無線充電。