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无线充电技术的发展

高工
2014-06-12 10:31:34    评分

引言

  “无线充电”是利用一种特殊设备将电源插座的电力转变为可充电的电波,从而在扔掉电线的情况下直接对电子设备充电。无线充电大致上是通过磁场输送能量。无线充电还有一个好处是省电,无线充电设备的效能接收在70%左右,具备电满自动关闭功能,避免了不必要的能耗。而且,这个效能接收率在不断提高,很快将能达到98%。对于不同的电子产品,电源接口能自动对应,需要充电时,发射器和接收芯片会同时自动开始工作,充满电时,两方就会自动关闭。它还能自动识别不同的设备和能量需求。

  1 无线充电技术

  其实早在1890年,物理学家兼电气工程师尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)就已经做了无线输电试验(图1)。他提出并实现了交流发电。磁感应强度的国际单位制也是以他的名字命名的。特斯拉构想的无线输电方法,是把地球作为内导体、地球电离层作为外导体,通过放大发射机以径向电磁波振荡模式,在地球与电离层之间建立起大约8Hz的低频共振,再利用环绕地球的表面电磁波来传输能量。但因财力不足,特斯拉的大胆构想并没有得到实现。后人虽然从理论上完全证实了这种方案的可行性,但世界还没有实现大同,想要在世界范围内进行能量广播和免费获取也是不可能的。因此,一个伟大的科学设想就这样胎死腹中。

特斯拉进行无线电力传输实验

  事实上,从低频波到宇宙射线,我们周围到处存在着电磁波,它们都携带着或多或少的能量。在不少物理学家看来,人们要做的或许仅仅是找到合适的办法接收和利用这些能量。特斯拉的想法虽然难成现实,但无线电能传输对于新能源的开发和利用、解决未来能源短缺问题有着重要的意义,因此,许多国家都没有放弃这方面的研究。1968年,美国工程师彼得·格拉泽(Peter Glaser)提出了空间太阳能发电(Space Solar Power,SSP)的概念,其构想是在地球外层空间建立太阳能发电基地,通过微波将电能传输回地球(图2),并通过整流天线把微波转换成电能。1979年,美国航空航天局NASA和美国能源部联合提出太阳能计划-建立“SPS太阳能卫星基准系统”。欧盟则在非洲的留尼汪岛建造了一座10万千瓦的实验型微波输电装置,已于2003年向当地村庄送电。野心勃勃的日本拟于2020年建造试验型太空太阳能发电站SPS2000,2050年进入规模运行。

  其实,无线充电技术离我们这些普通人也并非遥不可及。相信一定有人使用过某种品牌的电动牙刷(图3),只要将牙刷插入220V的充电座上即可实现不接触的无线充电,使用起来很方便。这种无线充电就是利用电磁感应原理,解决了潮湿环境下的用电安全问题。

  无线电能传输有电磁感应、射频和微波三种基本方式,这三种技术分别适用于近程、中短程与远程电力传送。但每种无线充电方式都有一些缺点,从而限制了它的发展。例如电磁感应方式传送能量较小、传送范围较小等,这也是为什么电动牙刷必须放在充电座上才能充电,而不能将牙刷任意摆放的原因。所以,现在各家公司的研究方向就是对这些技术进行改良和完善,从而最终实现商品化。

  2 感应“垫子”上市,无线充电不是梦想

  香港城市大学的许树源教授早在几年前就曾经成功研制出一种“无线电池充电平台”,可将数个电子产品放在一个充电平台上,透过低频电磁场充电,充电时间与传统充电器无异,技术实现也不深奥。这种无线电池充电平台利用的就是变压器原理-变化的磁场中闭合的金属线圈会产生电流。而英国SplashPower公司2005年初上市的无线充电器Splash pads(图4),就是变压器原理商业化的无线充电产品。

  Splash Pads看上去就像一块柔软的鼠标垫,它的塑胶薄膜里面装有产生磁场的小线圈阵列(变压器原边),以及由磁性合金绕以电线制成的口香糖大小的接收线圈(变压器副边,可以贴在电子设备上,图5)。在CES 2007上,WildCharge公司也推出了两款无线充电器产品WildCharger和WildCharger-Mini(图6)。WildCharge的无线充电器与SpashPower公司的产品外观非常相似,也是垫子模样的东西。WildCharger的功率较大,除了可以给手机和媒体播放器充电以外,还可以为笔记本电脑充电,而WildCharger-Mini毕竟个子小,只能给手机等小型设备充电。据称WildCharge公司将从最近开始在网上销售这类无线充电产品。

图5电磁感应方式的无线充电原理

  




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高工
2014-06-12 10:31:34    评分
2楼
3 解决无线电力传输的距离问题——共振

  既然电磁感应方式实现并不复杂,为什么使用该类技术的无线充电器普及这么困难呢?简单地说,最大障碍就在“传输距离”方面。众所周知,传输电力即便通过金属线路传输,距离远了也会产生相当大的线路损耗,更别提通过空气传输了--距离增大以后感应的能量会迅速减少。可以想象,在一些特殊领域如果不能突破距离限制,无线充电已经毫无意义。例如植入体内的仪器,难道必须施行外科手术才能更换电池。太可怕了!还有那种安置在动物身上的无线定位装置,怎样为其补充电能也很关键。

  为了在无线传输距离上有所突破,MIT的助理教授马林·索尔贾希克(Marin Soljacic)和他的研究小组在长达4年的实验研究中终于获得重大突破。他们在实验中使用了两个直径为50cm的铜线圈,通过调整发射频率使两个线圈在10MHz产生共振,从而成功点亮了距离电力发射端2m以外的一盏60W灯泡。而且,即使在电源与灯泡中间摆上木头、金属或其它电器,都不会影响灯泡发光(图7)。

图7两个线圈之间用木板隔断,对传输效果毫无影响

  同时,MIT的科学家们还对无线电力传输理论进行了研究。他们确定了两个电磁线圈之间形成磁场强耦合的条件,并给出了富有启发性的结论:

  a.可行性。通常情况下,电磁辐射具有发散性,相隔较远的接收器只能接收到发射能量的极小一部分。而当接收天线的固有频率与发射端的电磁场频率一致时,就会产生共振,此时磁场耦合强度明显增强,无线电力的传输效率大幅度提高。MIT的实验表明,当收发双方相隔2m时,传输60W功率的辐射损失仅为5W。因此,在几米内“中程”(相较于“近程”和“远程”而言)传输电力是可行的。

  b.安全性。从电磁理论而方,人体作为非磁性物体,暴露在强磁场环境中不会有任何风险。医院对病人进行核磁共振检查时,磁场强度高达B~1T也不会伤害人体。相比之下,共振状态下磁场强度处于B~10-4 T数量级,仅相当于地磁场的强度,因此不会对人体构成危害(图8)。

图8索尔贾希克(第二排左一)与MIT研究小组成员在两个实验线圈之间留影,以消除人们对磁场辐射的担心。

  4 长江后浪推前浪,射频充电器更胜一筹

  就在MIT科学家的研究工作取得实质性进展的辉煌时刻,一家名为Powercast的公司突然推出了一种适合中短距离使用的无线充电装置。与前面提到的SplashPower和WildCharge两家公司的接触式充电器不同,Powercast公司的射频充电器不需要充电垫子,电子设备搁置在距离发送器约1m范围内的任何地方都可以充电。

  Powercast公司的无线充电系统包括一个安装在墙上的发送器以及可以安装在电子产品上的接收器(图9)。发送器这边利用915MHz频段把射频能量发送出去,而接收器则利用共振线圈吸收射频电波。

图9收发双方通过共振圈传输能量

  5 Tips

  目前国际上广泛采用的射频频率分布于低频(125KHz)、高频(13.54MHz)、超高频(850MHz~910MHz)和微波(2.45GHz)4个波段。无线射频识别(RFID)通常使用超高频波段的频率,而Wi-Fi信号则是使用频率为2.4GHz的微波。MIT研究小组在进行无线电力传输实验时采用的频率为4~10MHz。据说Powercast公司曾尝试过使用上述各种波段的射频电波进行电力传输,但只有当频率为900MHz左右时接收到的能量最强。

  射频电能传输与老式的矿石收音机的收音过程相似。矿石收音机自身没有直流电源,它利用天线接收来自电台的载波,经过检波后在听筒中产生音频电流。Powercast公司声称,这个无线充电系统绝不比一部收音机复杂,而且造价低廉,基本接收装置成本只需5美元。依赖这样的技术优势,Powercast公司已与手机、MP3、汽车配件、体温表、助听器及人体植入仪器等产品的百多家生产厂商签署了合作协议,还会与飞利浦合作在今年年内推出无线充电的LED电筒、明年推出包括键盘/鼠标在内的更多无线电脑外设。

  


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