盘点无线充电技术的过去与现在

在过去的几年时间里无线充电市场不断发展,无线充电标准趋于整合,并且不断有新的供应商和新的设备涌现。与此同时,一些令人兴奋的技术发展也不断出现,下面就与大家一起讨论无线充电技术现在的发展情况以及未来的展望。

 
无线充电技术(英文:Wireless charging technology;Wireless charge technology )源于无线电能传输技术,可分为小功率无线充电和大功率无线充电两种方式。小功率无线充电常采用电磁感应式,如对手机充电的Qi方式,但中兴的电动汽车无线充电方式采用的感应式。大功率无线充电常采用谐振式(大部分电动汽车充电采用此方式)由供电设备(充电器)将能量传送至用电的装置,该装置使用接收到的能量对电池充电,并同时供其本身运作之用。由于充电器与用电装置之间以磁场传送能量,两者之间不用电线连接,因此充电器及用电的装置都可以做到无导电接点外露。
盘点无线充电技术的过去与现在
        图1:感应式无线充电方式广泛应用于消费电子产品中,但是需要发射和接收线圈精确吻合才能够工作
 
无线充电也可以称为无线电力传输(WPT),在一些消费级可穿戴产品中可谓是风靡一时,比如智能手机、智能手表、健康手环等,但是这个想法本身已经存在至少一个多世纪的时间了,著名的发明家尼古拉?特斯拉早在1891年就展示了两个灯泡之间的WPT效应,无线充电对工业和汽车行业的用户也具有相当的吸引力,因为不存在直接的连接所以就不会产生火花而引起爆炸,无线充电系统还可以被单独的密封起来来对抗工业溶剂、灰尘以及腐蚀气体的影响。
 
20世纪90年代消费者才开始广泛使用诸如电动牙刷、电动剃须刀之类的小型家用电器,在过去的10年时间里随着WPT的标准化以及便携式和可穿戴电子产品的兴起,这类需求不断增加。
 
两种技术故事
 
无线充电系统遵循NFC(near-field charging,近场充电)准则:发射线圈会生成一个震荡磁场空间,通过电磁感应向附近的接收线圈传输能量。典型的配置就是固定的充电站或者充电座集成发射电路和一级线圈,被充电的设备中则包含二级线圈。
 
发射线圈(一级线圈)生成的磁场只有一小部分的磁通量可以穿透给接收线圈(二级线圈)并传输能量:这两个线圈本质上构成一个变压器,传输效率是两个线圈的耦合系数(K)与质量因子(Q)的函数。
 
双向传输通道以及功率波形的叠加允许接收器的验证和传输电力的管理,发射器与接收器之间的金属物体会吸收能量,降低效率甚至造成发热构成安全隐患,因此异物检测(FOD)技术也已经被集成到目前的无线充电系统中。
 
WPT开发者正在致力于研究两种技术:感应充电借助两个紧密相邻的耦合线圈;共振充电则是使两个线圈都达到谐振频率产生共振效应。尽管两种技术都采用感应耦合技术,但是“感应充电”通常指紧密耦合的充电方式。
 
感应充电概述
 
感应充电方式是低功耗便携式设备和可穿戴设备的理想选择,可能不适合一些大型的产品,这一点我们会集中与大家讨论,并且会涉及到谐振充电。
 
这种方式是有效的,但是对线圈的失调非常的敏感。电力的传输与距离的平方成反比的关系,随着距离的增加电力传输效率迅速下降。为了提高效率,用户使用的产品中两个线圈的距离一般都会保持在7mm以内,如果用户移动了接收设备,系统就会检测到充电效率的下降从而终止电力传输。
 
图2是感应无线充电系统的模块图,它采用的是两个罗姆设备,下面会与大家讨论,在大部分应用中,无线充电系统都会包括两个模块:AC/DC电源输入给发射线圈供电和接收端用于存储能量的锂电池。
盘点无线充电技术的过去与现在
                                                                 图2:感应充电系统架构图
 
目前有两个感应充电标准:无线充电联盟(WPC)推出的Qi(发音:Chee)标准,操作频率在100-200KHz,无线充电新联盟AirFuel支持AirFuel感应充电标准,操作频率在100-350KHz,两种充电方式的整体效率都超过了70%。
 
很多设备制造商的产品都支持这两种标准,比如三星的Galaxy S6和S7智能手机同时支持Qi和AirFuel两种无线充电标准。
 
无论是Qi还是AirFuel无线充电系统都是通过发射线圈将电力传送给接收线圈,但是都是有接收端控制充电的总量,接收端通过改变主线圈的负载实现与发射端的通信,Qi标准支持2kbps的数据传输速率以及双相位编码。AirFuel标准则定义了六种不同的通信标志,每个AirFuel无线充电系统接收端都保存唯一的六字节ID识别码,这个识别ID是在系统启动时有发射端传送给接收端的。
 
无线充电系统比有线充电系统提供的电力要少的多,因此在充电的时候可能需要更长的时间,但是制造商正在积极解决这个问题,比如提高电力水平。2015年推出的WPC v1.2版本规范明确最大支持的功率可达15W,早期的版本只支持5W。
 
无线发射器
 
在工作期间,发射器大部分时间都保持在低功耗“睡眠”模式,每隔一定的时间都会激活检查是否有接收器需要充电。检测到二级线圈存在后,发射器会对接收器进行身份验证,然后开始进行电力的传输。如果验证失败,无线发射器会继续保持“睡眠”状态,在电力传输的整个过程中,接收端会通过预定义的通信数据包保持电力传输的过程,这些数据包处理的功能包括识别、身份验证、所需的电量和错误检测等。
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