許多最先進的電池供電技術設備提供了在沒有物理連接到電源的情況下充電的可能性，而是通過對特殊基站的簡單支持，而且不一定必須由相同的基站提供設備的制造商。如果來自不同制造商的設備能夠相互操作，那是由于存在開放標準，通常由對特定技術開發(fā)感興趣的各種品牌聯(lián)合開發(fā)。

無線能量傳輸?shù)母拍钜呀?jīng)為人所知有一段時間了，準確地說是 100 多年，其歷史可以追溯到特斯拉線圈的發(fā)明。無線能量傳輸?shù)囊粋€關鍵因素是效率：為了能夠有效地定義系統(tǒng)，發(fā)電機傳輸?shù)拇蟛糠帜芰勘仨毜竭_接收設備?？捎糜诮鼒鰺o線傳輸?shù)膬煞N電感耦合過程是標準電感耦合和諧振電感耦合。

通常，標準電感耦合在相對較短的通信距離內(nèi)是可行的，因為大部分磁通量沒有連接在線圈之間并且磁場衰減很快。電感諧振耦合提供更高的效率（高達 95%），即使在相對較長的距離（幾米）下也能工作，因為諧振線圈顯著降低了能量損失，允許能量從一個線圈傳輸?shù)搅硪粋€線圈。

應用

無線電源傳輸 (WPT) 既可用于直接為 LED 燈或電視等設備供電，也可通過簡單地將其放在船上為手機等電池充電。植入人體的醫(yī)療設備與外部設備之間的通信早已為人所知。由和平締造者向外傳送的診斷參數(shù)給出了一個例子。在此應用中，放置在設備外殼中的小圈和位于患者胸部的較大圈之間的電感耦合允許通信。然而，植入式醫(yī)療設備需要適當供電，雖然使用鋰離子電池可以讓它們自主運行，但更換它們需要進行侵入性操作，對患者的健康構成相對風險。WPT 技術可以通過無線充電系統(tǒng)解決這個問題。近年來，WPT技術在可持續(xù)電動交通領域的應用引起了研究機構的興趣，尤其是在亞洲。今天，電動汽車需要通過連接器連接到電源插座來為電池充電。無線電源傳輸允許消除此類連接器并實現(xiàn)自動充電（圖 1）。

圖 1：汽車無線充電

技術

從天線輻射的電磁場呈現(xiàn)出的特性取決于與輻射元件的距離。特別是，我們可以區(qū)分兩個區(qū)域：近場區(qū)域和遠場區(qū)域。

我們都知道的一個例子是變壓器，它在沒有直接電氣連接的情況下將能量從初級線圈傳輸?shù)酱渭壘€圈，而是使用磁感應耦合。變壓器由鐵氧體磁芯制成，需要在初級側和次級側之間精確對準以實現(xiàn)強耦合。圖 2 顯示了實現(xiàn)電感磁耦合的典型電路的框圖。
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圖 2：感應磁耦合電路示意圖

第一級由逆變器表示，它將直流電 (DC) 轉換為適當頻率的交流電 (AC)（通常在數(shù)百千赫茲和幾兆赫茲之間的范圍內(nèi)）。之后，阻抗匹配網(wǎng)絡會根據(jù)負載調(diào)整發(fā)射線圈看到的阻抗，這樣可以達到大約 90% 的效率。下一級由發(fā)射線圈和接收線圈組成，分別用于產(chǎn)生磁場和攔截磁場。第二個阻抗匹配網(wǎng)絡確保負載具有適當?shù)淖杩?，最后，整流器通過穩(wěn)壓器將交流電轉換為穩(wěn)定的直流電。

由于需要高效率和大塊磁性材料的重量，該技術在便攜式電子設備中的使用受限于有限的移動自由。為了使耦合有效，初級和次級側必須對齊良好，并且它們之間的距離不應超過幾十厘米的長度。由于這些原因，電感耦合通常用于為電動汽車供電。

從電感耦合的基本原理出發(fā)，通過諧振磁耦合技術可以增加傳輸距離。共振磁耦合背后的概念如下：由射頻源激發(fā)的大電感螺旋可以利用其共振在另一個類似結構中感應出共振模式，放置在一定距離。這允許在不使用輻射場的情況下獲得功率傳輸，距離甚至可以是螺旋大小的四倍（圖 3）。

圖 3：基于諧振磁耦合的無線電力傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)由 4 個功率級組成，即功率因數(shù)校正 (PFC) 轉換器、RF 放大器、線圈或諧振器以及板載整流器。

50-60Hz交流電經(jīng)整流塊整流后轉換為直流電。然后，連續(xù)信號提供給 RF 模塊，這是一個放大器，可將 DC 電壓轉換為射頻電壓，用于驅動環(huán)路進入傳輸。在接收端，輸入諧振回路將射頻信號傳輸?shù)秸髌?，整流器為負載提供適當調(diào)節(jié)的直流電。盡管圖中未顯示，但這些系統(tǒng)通常包括阻抗匹配網(wǎng)絡，以在源和負載之間實現(xiàn)可接受的傳輸效率。

圖 4：基于諧振磁耦合的 WPT 技術 RLC 電路

該系統(tǒng)可以表示為一個 RLC 電路（圖 4），其中，在諧振頻率下，能量在電感器 L 之間振蕩，電感器 L 存儲在磁場中，電容器 C 中它積累在電場中。諧振器積累能量的質量由品質因數(shù) Q 定義，它是諧振頻率 w0 和損耗因數(shù) Γ 的函數(shù)：

當兩個相似的諧振器以諧振頻率彼此靠近放置時，它們之間會發(fā)生耦合，從而實現(xiàn)能量傳輸。以下公式給出了進行功率傳輸?shù)淖罴研剩?/p>

可以看出，它僅取決于表示耦合優(yōu)度的優(yōu)值因子 U。

與磁感耦合相比，諧振磁耦合具有相當大的優(yōu)勢：

沒有鐵氧體磁芯使它們更輕，因此更易于集成；

發(fā)射器和接收器之間的距離可以達到 4 米，而不受兩個回路之間完美對齊的高度限制；

流場中接收線圈和傳輸線圈的對齊方式以及線圈之間的距離決定了能量傳輸?shù)男?。諧振頻率、傳輸線圈尺寸與接收線圈尺寸之比、耦合系數(shù)、繞組阻抗、線圈寄生電流等因素對傳輸效率能量有很大影響。

Qi協(xié)議

Qi 系統(tǒng)是無線電力傳輸?shù)臉藴?。它由兩個基本模塊組成，即基站和移動設備。其最高層架構如圖5所示。

圖 5：Qi 架構

基站包括一個或多個功率發(fā)射器：它們中的每一個都可以一次向單個移動設備提供無線電力
傳輸功能，并且原則上由功率轉換單元和控制單元以及通信組成。Qi 標準已經(jīng)出現(xiàn)在消費市場上，用于各種移動設備。但是，即使是發(fā)達國家可以受益于這種技術得益于像最近的項目TIDA-00881，德州儀器板設計，添加到其他TI低功耗電路板（包括快速啟動系列）電源功能齊兼容的無線。



審核編輯：劉清

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