無線充電的電力傳輸技術原理和應用標準

2020-12-07 電子工程專輯

許多先進的電池供電設備都已實現了無線充電。只需要簡單支持特定的基站，甚至是來自不同製造商的基站，即可無物理接觸地給設備充電。而來自不同製造商的設備之所以具備互操作性，是在於開放標準。開放標準通常是由某一特定行業聯盟發起和制定的，這種聯盟一般是由該行業對特定技術感興趣的廠商組成。VEwEETC-電子工程專輯

無線能量傳輸的概念已經有一段時間了，確切地說，它已經有100多年的歷史，甚至可以追溯到特斯拉發明線圈的時候。無線能量傳輸的一個關鍵指標是效率：一個有效的系統，要能夠將大部分能量從發射器有效地傳輸到接收設備。用於近場無線傳輸的電感耦合方式有兩種，分別為標準電感耦合和諧振感應耦合。VEwEETC-電子工程專輯

通常，標準電感耦合在相對較短的通信距離上可行，因為大多數磁通量在線圈之間不連通，並且磁場衰減很快。而諧振感應耦合效率高（可以達95%），在相對較長的距離（幾米）上也可工作，因為諧振線圈可以顯著降低能量損耗，因此能夠將能量從一個線圈傳遞到另一個線圈。VEwEETC-電子工程專輯

應用

無線電力傳輸（WPT）可以直接為設備（如LED燈或電視）供電，也可以為手機等設備充電，只需簡單地將設備放在充電板上即可。植入人體的醫療設備與外部設備之間進行通信早已為人熟知。以心臟起搏器向外部傳送診斷參數為例，在這種應用中，放置在設備中的較小匝線圈與位於患者胸部的較大匝線圈之間，通過感應耦合來相互通信。但是，植入式醫療設備需要正常供電，儘管鋰離子電池可以使它們自主運行，但更換電池需要侵入式操作，對患者的健康存在一定風險。WPT技術通過無線充電系統解決了這個問題。近年來，一些研究機構，尤其是亞洲的研究機構，對WPT技術在可持續電動出行領域的應用越來越感興趣。現在的電動汽車需要通過連接器連接到充電樁，來為電池充電。而無線電力傳輸可省去這類連接器，實現自動充電（圖1）。VEwEETC-電子工程專輯

圖1：汽車無線充電VEwEETC-電子工程專輯

技術

天線輻射的電磁場特性取決於輻射元件的距離。根據距離的遠近，電磁場可分為近場和遠場。VEwEETC-電子工程專輯

變壓器是眾所周知的一個例子，它將能量從初級線圈傳遞到次級線圈，無需直接的電氣連接，而是利用了電磁感應耦合。變壓器中有鐵氧體磁芯，它需要在初級線圈和次級線圈之間精確對準才能實現可靠的耦合。圖2為實現電磁感應耦合的典型電路框圖。VEwEETC-電子工程專輯

圖2：電磁感應耦合電路功能框圖VEwEETC-電子工程專輯

其中，第一級有一個逆變器，它以適當的頻率（通常在幾百千赫和幾兆赫之間）將直流電（DC）轉換為交流電（AC）。然後，阻抗匹配網絡會根據負載調整發射線圈端的阻抗，從而可達到約90％的效率。第二級由發射線圈和接收線圈組成，分別用於產生磁場和攔截磁場。這一級也有一個阻抗匹配網絡用於確保負載具有適當的阻抗。最後，藉助於穩壓器，整流器將交流電轉換為穩定的直流電流。VEwEETC-電子工程專輯

因為要求高效率，而且由於磁性材料的笨重，在可攜式電子設備中應用該技術會受到自由移動的限制。而且，為使耦合有效，初級和次級必須良好匹配，並且它們之間的距離不能超過幾十釐米。因此，電感耦合通常用於為電動車輛供電。VEwEETC-電子工程專輯

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從電感耦合的基本原理出發，通過諧振磁耦合技術是可以增加傳輸距離的。實際上，諧振磁耦合的基本概念是：由射頻源激發的大感應螺旋可以利用其諧振，在另一個相隔一定距離的相似結構中引發共振模式。這樣就可以在不使用輻射場的情況下傳輸電力，這個距離甚至可以達到螺旋尺寸的四倍（圖3）。VEwEETC-電子工程專輯

圖3：基於諧振磁耦合的無線電力傳輸系統。該系統包括4級功率節點，即功率因數校正（PFC）轉換器、RF放大器、線圈或諧振器，以及板載整流器。VEwEETC-電子工程專輯

整流器模塊用於將50-60 Hz交流電整流並轉換為直流電，然後連續的信號提供給RF模塊。RF模塊是一個放大器，可將直流電壓轉換為射頻電壓，用於驅動環路傳輸。在接收端，接收的諧振迴路將RF信號傳輸給整流器，由整流器適當調節，為負載提供直流電。儘管未在圖中顯示，這些系統中通常還包含阻抗匹配網絡，以實現電源與負載之間適當的傳輸效率。VEwEETC-電子工程專輯

圖4：基於諧振磁耦合的WPT技術的RLC電路VEwEETC-電子工程專輯

這個系統也可以用RLC電路（圖4）來表示，能量以諧振頻率在電感器L和電容器C之間振蕩，其中，在電感器L處，能量儲存在磁場中；在電容器C處，能量在電場中積累。諧振器積累的能量質量由品質因數Q來定義，Q是諧振頻率w0和損耗因數Γ的函數：VEwEETC-電子工程專輯

當兩個相似的諧振器以諧振頻率彼此靠近時，它們之間會發生耦合，從而實現能量的傳輸。 以下公式給出了電力傳輸的最佳效率：VEwEETC-電子工程專輯

可以看出，效率僅取決於表示耦合良好的品質因數U。VEwEETC-電子工程專輯

與電磁感應耦合相比，諧振磁耦合具有很多優點：VEwEETC-電子工程專輯

•       無需鐵氧體磁芯令其更輕，更易於集成；VEwEETC-電子工程專輯

•       發射器和接收器之間的距離可以達到4米，且兩個環路之間無需完美對準。VEwEETC-電子工程專輯

接收線圈和傳輸線圈在磁流場中的對準以及線圈之間的距離決定了能量傳輸的效率。還有一些因素也對傳輸效率有很大的影響，如諧振頻率、發送線圈與接收線圈的尺寸之比、耦合係數、繞組阻抗和線圈的寄生電流。VEwEETC-電子工程專輯

Qi協議

Qi系統是無線電力傳輸的標準。它由兩個基本模塊組成，即基站和行動裝置。其頂層架構如圖5所示。VEwEETC-電子工程專輯

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圖5：Qi架構VEwEETC-電子工程專輯

其中基站包含一個或多個功率發射器：每個都具備同一時間向單個行動裝置提供無線電力傳輸的能力，並且原則上都由功率轉換單元、控制單元和通信單元組成。Qi標準已經為消費市場所熟悉，並廣泛應用於各種行動裝置。即使是發展中國家也可以從這項技術中受益，比如，德州儀器（TI）開發的電路板TIDA-00881項目，可為其它TI低功耗板（包括Launchpad系列板）添加符合無線Qi標準的電源功能。VEwEETC-電子工程專輯

英飛凌則提供了適用於多種無線充電標準的功率MOSFET，並且是無線電源聯盟（WPC）和AirFuel聯盟的活躍成員，這兩個是業界領先的無線充電技術聯盟。AirFuel聯盟定義了諧振WPT標準，規定了6.78 MHz的工作頻率，並允許同時為多個設備充電。英飛凌的BSZ0909ND尤其適用於無線充電架構或飛行組件（例如在無人機或多引擎設備中），可以幫助這類設備的設計師在不降低效率的前提下簡化布局，並節省空間。VEwEETC-電子工程專輯

結語

行動裝置各種各樣，例如手機、平板電腦、媒體播放器和移動電視，每個設備都需要不同的適配器和不同的接口連接器。用戶必須攜帶多個連接器和適配器，雖然目的只有一個，即行動裝置充電。而通用無線適配器，在強大的支持架構和相關生態系統的配合下，可以很好地解決這個問題。VEwEETC-電子工程專輯

（參考原文：Wireless Power Transfer Technology）VEwEETC-電子工程專輯

責編：Amy GuanVEwEETC-電子工程專輯

本文為《電子工程專輯》2020年4月刊雜誌文章，版權所有，禁止轉載。點擊申請免費雜誌訂閱 VEwEETC-電子工程專輯

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