便携式移动设备无线充电技术研究与分析

引言

随着科技的不断进步,越来越多的便携式移动电子设备为我们的生活提供了便利,变成了生活中不可或缺的部分。为了实现更好的人机交互体验,这些便携式移动电子设备正不断推出更新颖的应用,更大、更绚丽的屏幕,使这些设备耗电量也越来越高。然而,由于电池技术研发进度的大幅度滞后,手机续航能力有限,因此用户需要反复进行充电。传统的有线充电方式充电速度快、技术成熟,但也存在一些弊端:有线充电必须要通过繁杂的线材进行电能的传输,同时频繁拔线也会带来物理损伤,需要定期更换充电线。因此,无线充电技术成为近年来研究的热点,苹果、华为、三星等公司均推出了自己的高端手机,并把"高功率、快速无线充电"作为高端手机的一大亮点吸引顾客购买。

1主流无线充电技术对比

现阶段,无线充电(wirelessCharging)技术存在四种不同的方式:电磁感应方式、电磁共振方式、电场耦合方式、无线电波方式。四种不同方式的无线充电技术对比如表1所示。

从表1可以看出,在手机等便携式设备上运用的无线充电技术主要是电磁感应技术和电磁共振技术,这也是目前发展较为成熟、市场占有率较高的两种无线充电技术。无线充电技术应用过程中,需制定相应的标准,使符合标准的设备进行无线充电。但目前标准尚未统一,主流的无线充电标准有五种,包括:oi标准、PMA标准、A4wP标准、iNPoFi技术、wi-Po技术,其中无线充电联盟(wPC)推出的oi标准应用比较广泛,由PMA联盟推出的PMA标准是符合IEEE协会的标准,在无线充电领域具有领导地位。这两种标准都是针对目前技术较为成熟的电磁感应式无线充电方式提出的,因此,下文将详述电磁感应式无线充电技术。

2电磁感应式无线充电技术

2.1电磁感应式无线充电原理

电磁感应式无线充电技术,是利用电磁感应原理进行无线充电的一项技术,其无线电能传输系统包含两个部分:发射端(Tx)和接收端(Rx),图1所示为原理图。

如图所示,在发送和接收端各有一个线圈,发送端线圈连接有线电源产生电磁信号,接收端线圈感应发送端的电磁信号从而产生电流给电池充电。交流电源、变频环节、发射线圈及谐振电容构成了发射端,接收线圈、谐振电容、整流滤波环

节及负载组成了接收端。工作流程是Tx端PCB提供电流给线圈,然后Rx端线圈将收到的变化的磁场转换为电流,再提供给电池,从而实现充电的目的。

2.2无线电能传输系统等效模型

为实现无线充电的功能,文献提出了一种自激推挽式零电压高频逆变电路,该无线电能传输系统的电路原理图如图2所示。

该电路利用两个对称开关管o1和o2的互补导通,便可通过LC谐振电路得到所需的正弦波,实现了电路的自驱动,省去了传统逆变电路中的控制及驱动电路,结构简单,可靠性高,适用于对供电安全要求较高的无线电能传输系统。其中,o1、o2为N沟道MoSFET,型号为IRFZ44N,能够实现高频无线电能传输。

对图2进行分析,同时考虑一次侧和二次侧两个线圈之间的电磁耦合关系,电磁感应式无线电能传输系统的等效电路模型如图3所示,其中电源为Us,电源内阻为Rs,发射端和接收端的谐振电容分别为C1、C2,发射线圈的电感量为L1,电阻为R1,接收线圈的电感量为L2,电阻为R2,负载阻抗为RL,两线圈间互感为M。

为达到无线充电的功能,该电路需要一次侧由L1、C1组成的谐振电路和二次侧由L2、C2组成的谐振电路的振荡频率一致,设其振荡频率为w,则其谐振条件如下:

因此,为达到良好的振荡效果,应设置好C1、R1、L1、C2、R2、L2,并使其满足式(1)起振的条件。

为更好地分析上述电磁感应式无线充电的等效模型,由KVL方程可得,该电路的一次侧回路和二次侧回路方程如下:

由式(2)可求得一次侧电流I1和二次侧电流I2的大小。由于电路产生谐振的条件是oL=,因此谐振电流I1和I2的大小为:

由功率公式可知,该电路的二次侧负载功率大小P为:

由效率公式可知,该电路的传输效率为:

针对自激推挽式无线电能传输系统,要考虑无线充电的几个重要指标,包括:充电功率、充电效率及充电距离,其中充电功率和充电效率的计算公式如式(+)和式(+)所示,为自激推挽式无线电能的传输提供了设计依据。从式(+)和式(+)也可以看出,要提高充电功率和效率,应设置好振荡频率w。

3无线充电关键技术

无线充电技术的发展能够为人们的生活带来便利,但目前因为技术尚未成熟,仍然存在一些技术瓶颈。针对当前无线充电设备的特点和实际应用的需求,需要对无线充电关键技术做进一步的深入研究和探索。

3.1充电位置及充电距离

当前所采用的无线充电器,对便携式电子设备充电时,要求发射线圈和接收线圈的摆放位置尽可能地重叠,保证无线充电的传输效果达到最好。同时,为提高电能传输的效率,对一次侧线圈和二次侧线圈的距离要求尽可能靠近,因此电子产品在充电时会受到一定空间范围的约束,以保证其充电效率[+]。

3.2多负载

便携式电子产品具有体积小、数量多的特点,因此可能在应用中会存在需要同时给多个电子产品充电的情况,这就要求无线充电器能够同时实现给多个负载传输电能,此时会存在电能分配的问题,同时多个接收线圈之间也会存在交叉耦合,从而引起谐振频率的改变。因此,实现可控的功率分配和可随动的阻抗匹配网络才能实现高效的多负载无线电能传输。

3.3电磁安全

无线充电设备的工作原理是电磁场的互相转换,因此电磁安全也成为了一个必须关注的问题,高电磁辐射会影响人体健康。文献[+]通过详细分析电磁感应式无线充电产品在工作过程中的电磁辐射,提出该标准产品的电磁辐射超出了规定水平。因此,为解决电磁辐射问题,文献[6]提出了可以通过电磁屏蔽的方式进行抑制,减小设备对人体的危害,可以采用磁性材料进行电磁辐射的屏蔽。

4无线充电技术展望

当前,利用无线充电技术可以摆脱有线充电的束缚,降低设备的磨损率,使公共充电区域的面积相对减小。无线充电技术使充电操作变得更加方便,且能够实现一定距离无线电能的转换,但大功率无线充电的传输距离只限制在有限距离以内,当前技术仍不成熟,设备的经济成本投入较高,维修费用大,且设备的耗能较高。同时,随着无线充电设备的距离和功率的增大,无用功的耗损也会增大。无线充电技术本身是将电网电压降压整流变为直流电,再通过较高频率的开关控制,将直流电逆变为交流电输出,实现电能的无线传输。在大功率的交直交电流转换过程中,电能进行了二次能量的转换和传输,所以电磁的空间磁损率较大。

无线充电技术为我们的生活带来便利的同时,由于技术不成熟,仍存在诸多不足之处,并没有真正得到大众的认可。因此,未来无线充电技术可尝试从如下方面进行突破:

(1)+5技术的发展带来了新的机遇。随着+5技术及物联网的发展,无线充电装置也会逐步接入信息网络系统。通过+5技术的发展带动信息网络对于无线充电装置的控制和能量分配问题的解决。

(2)新材料的不断开发和应用。无线电能传输中存在的传输效率问题,电磁安全问题都可以尝试从材料力学的发展上得到突破,如超材料、超导体等材料是否可以应用于无线充电技术,从而有效提升无线电能传输的功率和距离,减少无线电能传输过程中的损耗,降低线圈发热,需进一步研究和探索。

5结语

本文首先介绍了目前主流的四种无线充电技术,并进行了对比:然后对电磁感应式无线充电技术进行了原理分析,就自激推挽式无线充电系统建立了等效模型,并分析了这种无线充电系统的负载功率及传输效率:接着针对现实应用中存在的特点,梳理了便携式设备无线充电的关键技术,包括充电位置及充电距离、多负载、电磁安全等相关问题:最后分析了当前无线充电技术的优势和面临的技术难题。

无线充电技术在便携式设备中有着良好的应用前景。随着相关研究的进一步深入,现实应用中的一些特殊问题正被逐一解决,无线充电技术必然会取代有线充电技术,让便携式设备实现真正意义上随时随地的无线充电。