无线电力传输技术

文章：M. di Paolo Emilio

许多国家的最先进的电池供电的技术设备提供一种用于无需到电源的物理连接再充电的可能性，但通过一个特殊的基站，而且不一定必须由同一提供简支该装置的制造商。如果来自不同厂商的设备能够彼此互操作，这是由于存在的开放标准，很多时候通过的兴趣，鉴于技术的发展各种品牌的联盟共同开发。

无线能量传输的概念已经知道了一段时间，超过100年要精确，并可以追溯到泰斯拉线圈的本发明。在无线能量传输的关键因素是效率：以能够有效地定义系统，由发电机发射必须到达接收装置的能量的大部分。这两种类型的感应耦合方法的可用于近场无线传输是标准的电感耦合和谐振电感耦合。

通常，标准的电感耦合是在相对短的通信距离切实可行的，因为大多数的磁通的未连接的线圈和磁场之间的衰减迅速。所述感应耦合的谐振提供更高的效率（高达95％）和甚至在考虑到谐振线圈显著降低能量损失允许能量从一个线圈转移到另一个相对长的距离（几米），工作原理。

应用程序
无线电力传输（WPT）可以是用于直接功率器件如LED灯或一台电视和通过简单地将其放置在船上的电池再充电，例如移动电话。在人体内植入医疗装置和外部设备之间通信早已公知的。一个例子是通过朝向外侧的调停发送的诊断参数给出。在本申请中，一个小的转弯放置在装置壳体和一个较大的一个定位在病人的胸部之间的感应耦合允许通信。然而，植入式医疗设备需要正常供电，虽然使用的锂离子电池可以让他们自主操作，他们更换需要与患者的健康风险相对侵入性操作。WPT技术可以通过无线充电系统解决这个问题。近年来，WPT技术对可持续的电子移动领域的应用已在研究机构的兴趣与日俱增，尤其是在亚洲。如今，电动车需要被连接，通过连接器，一个电源插座进行充电电池。无线电力传输允许这样的连接器的消除并且使得自动再充电（图1）。

图1：无线充电汽车

技术
的电磁场，其从天线辐射发生在依赖于从辐射元件的距离的特性。特别是，我们可以区分两个区域：近场区和远场区。

我们所有人所知道的一个例子是变压器，其在没有直接电气连接的情况下将能量从初级线圈传送到次级，而是使用磁感应耦合。变压器采用铁氧体核心制成，需要在初级和次级侧之间进行精确的对准，以实现强耦合。图2示出了实现电感磁耦合的典型电路的框图。

图2：感应磁耦合电路的示意图

第一阶段是由逆变器，其在适当的频率转换的直流（DC）到交流（AC）（一般在几百千赫和几兆赫之间的范围内）表示。在此之后，阻抗匹配网络调整由发送根据负载线圈看到的阻抗，以使得约90％的效率可以实现的。下一个阶段是分别由发送和接收线圈，用于产生磁场，并拦截它。第二阻抗匹配网络确保负载看到适当的阻抗，最后，整流器将交流电转换为稳定的直流电流由于电压调节器。

在便携式电子设备中使用这种技术的通过运动的有限自由度由于需要高效率和散装磁性材料的重量调节。用于耦合是有效的，初级侧和次级侧必须得到很好的对准，并且还它们之间的距离应不超过几十厘米量级的长度。由于这些原因，电感耦合通常用于电动车辆供电。

从电感耦合的基本原理开始，可以通过谐振磁耦合技术来增加传输距离。谐振磁耦合背后的概念如下：通过射频源激发的大电感螺旋可以利用其共振，以在另一种类似结构中诱导谐振模式，放置在一定距离处。这允许在不使用辐射场的情况下获得功率的转移，甚至可以是螺旋尺寸的四倍的距离（图3）。

图3：基于谐振磁耦合的无线电力传输系统。该系统由4个电源级组成，即功率因数校正（PFC）转换器，RF放大器，线圈或谐振器，以及车载整流器。

在50-60赫兹的交流电进行整流，并通过整流器块转换成直流电流。连续信号，然后提供给RF模块，该直流电压转换成用于驱动循环到发送射频电压的放大器。在接收侧，进入的谐振环路发送RF信号给整流器，其具有适当调节的直流电流提供负载。虽然在图中未示出，这些系统通常包括用于实现源和负载之间的可接受的透射效率阻抗匹配网络。

图4：基于谐振磁场耦合对WPT技术RLC电路

该系统可以被表示为一个RLC电路（图4），其中，在共振频率，在那里它被存储在磁场和当在电场中累积的电容器C中的电感器L之间的能量振荡。与所述谐振器累积能量的质量通过品质因数Q，这是谐振频率W0和损耗因子Γ的函数限定：

当两个类似的谐振器以谐振频率彼此靠近靠近时，它们之间发生耦合，从而能够转移能量。以下公式提供了电力传输的最佳效率：

如可以看到的，它仅仅取决于优点性U指示耦合优度。

相较于磁感应耦合，该谐振磁场耦合具有相当大的优势：

• 不存在铁氧体磁芯的使得它们更轻，因此更积;
• 发射器和接收器之间的距离可以达到达4米而在两个环之间的精确对准的高度限制约束;

在流场的接收和发送线圈和所述线圈之间的距离的对准确定与所述能量传递效率。共振频率，所述发送线圈的尺寸之间的比率，并且这些接收线圈，耦合因子，绕组阻抗，并且线圈的寄生电流是具有对传输效率的能量有很大的影响的其它因素。

齐协议

齐系统是无线电力传输的标准。它包括两个基本模块，即在基站和移动设备。其最高水平的体系结构在图5中表示。

图5：齐架构

该基站包括：一个或多个功率发射器：它们中的每一次可以向单个移动设备提供无线电力传输功能，由原则上的电力转换单元和一个控制单元和通信。Qi标准已经存在的消费市场上，登上了广泛的移动设备。但是，即使是发达国家可以受益于这种技术得益于像最近的项目TIDA-00881，德州仪器板设计成添加到其他TI低功耗板（包括那些快速启动一系列）的电源的功能兼容齐无线。

英飞凌为许多无线充电标准提供电源MOSFET，是无线电力联盟（WPC）和Airfuel Alliance的一部分是无线充电技术的两家领先的公司联盟。Airfuel Alliance定义了谐振WPT的标准，其以6.78MHz的频率运行，并允许同时充电多个设备。特别是，BSZ0909nd适用于无线充电架构或导频组件（例如，在无人机或多引擎中），其中设计人员需要简化布局并显着节省空间，而不会损害效率。

结论
无线电力传输技术已经发展到支持电子设备，更未来。从消费电子到汽车，机会的范围似乎是真正不已。

不同的移动解决方案，如移动电话，平板电脑，媒体播放器和移动电视，需要使用不同接口连接不同的适配器。用户必须携带若干连接器和适配器，即使目的只有一个：充电的移动设备。一个普遍的无线适配器，配备了强大的支持基础设施和相关的生态系统，可以解决这个问题。