无线充电工作原理分类

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1、无线充电工作原理分类无线充电技术分为三类:电磁感应式、共振式和微波传输。13.1.2.1 电磁感应式目前大多数产品的无线充电功能都采用电磁感应技术。电磁感应技术主要 利用经典电磁理论和变压器理论，结合现代电力自控技术，实现电能无线传输。 感应式电能传输的基本原理如图13-6所示。在初级线圈加入交流电流Is，产生 交变磁场强度H，经由空气介质耦合产生磁通密度。根据法拉第电磁感应定 律，次级线圈因为磁通密度变化而感应出电动势，感应电动势s=d/dto图13-6电磁感应基本理论电磁感应技术分为感应耦合和容性耦合。其中，感应耦合的传输形式如变 压器、电容等，基于铁磁芯的感应式电能传输方式在传统变压器和

2、电机中得到 广泛的应用，但是由于磁场铁芯和电场媒质的限制，它们不适合向运动的物体 传输无线的隔离大气隙的能量。如果工作频率足够高，磁场变化率将在原、副绕组之间引起很强的电磁感 应，使得大气隙能量传输可行。感应电能传输技术涉及的主要技术领域有电磁感应耦合技术、现代电力电 子能量变换技术、高频磁技术、谐振逆变技术、软开关技术以及现代控制理论; 具体到一个实际系统，还涉及结构设计、通信与控制技术等。感应电能传输的 基本原理框图如图13-7所示，直接利用工频交流电作为能量供应源，可采用两 相或三相工频电源，视实际的电源容量要求合理选择。工频电源在经过整流电 路之后向逆变电路提供平稳的直流电流。该直流电

3、流经过逆变电路的高频逆变 之后，向松耦合感应装置的初级绕组提供高频交变电流。松耦合感应装置作为感应式电能传输的关键组件，其初级绕组中通过的高频电流产生感应电磁场， 并在次级绕组中产生电磁感应。在次级绕组中得到的感应电动势再通过整流或 逆变后提供给直流或交流负载使用，完成非接触供电的整个能量传输过程。图13-7电磁感应原理另外，考虑存在多个能量接收绕组，各个绕组之间的互相影响成为关键。 当某个绕组负载的等效阻抗太小（极端情况为短路）或太大（极端情况为开路） 时，反应阻抗均不正常，此时将导致其他绕组负载不能工作，必须在用电设备 端加上负载供电控制单元，以保证整个系统运行的稳定性和可靠性。13.1.

4、2.2共振式共振式无线电能传输的理论依据是，如果两个振荡电路具有相同的频率， 在波长范围内，通过近场瞬时波耦合，感应器产生的驻波在远远小于损耗时间 内，允许能量高效地从一个物体传到另一个物体。由于共振波长远远大于振荡 器尺寸，所以不受附近物理的影响，而且由于磁场和生物体之间相互作用很弱， 对生物体比较安全，适用于中距离传输，但是这种技术尚未达到实用化程度。2006年10月，美国麻省理工学院教授马林索尔贾希克（Marin Solijacic） 提出了通过“磁场共振”技术实现无线电能传输的新理论，把磁场共振运用到电 能传递上。他们利用铜制线圈作为电磁共振器，一组线圈附在传送电力方，另 一组在接收电

5、力方。当传送方送出某特定频率的电磁波后，经过电磁场扩散到 接收方。他们成功地把一盏距离发射器2.13m的60W电灯点亮（如图13-8所 示），相应的研究成果发表在2007年的Science杂志上。这个“隔空点灯泡” 实验引起了欧美及全球各大媒体的极大关注，并进行了 “Goodbye Wires”之类的 广泛报道，被认为是无线电能传输技术的里程碑。他本人因为这一发明获得了 麦克阿瑟基金会2008年的“天才奖”，其相应的技术被称为“WiTricity”。图13-8 Marin Solijacic基于磁场共振式的无线供电实验图13-9所示是共振式无线电能传输的系统模型。A是一个半径25cm的单 匝铜

6、环，它是激励电路的一部分，输出频率为9.9MHz的正弦波；S和D是谐 振线圈，B是直接连接到负载（即研究团队中实验负载为灯泡）的单匝导线环。 KS、K、KD分别表示A和S、S和D、D和B之间的直接耦合。调整线圈D和 A之间的角度，保证其直接耦合等于零，线圈S和D同轴排列，线圈B和A以 及B和S的直接耦合忽略不计。系统工作在“共振”状态下（指系统中两个线圈 S和D工作在相同频率共振状态）。处于谐振状态下的谐振体之间的能量交换 可望达到最高的效率。如果不考虑周围空间的结构，并且干涉损耗和散失在周 围环境中的损耗很低时，采用这种方法，中等距离的能量传输可以在接近全方 向的状态下实现并达到很高的效率。

7、ASDB灯泡图13-9共振式系统模型13.1.2.3微波传输基于微波辐射的无线电能传输技术（也称微波输电）将电能转化为微波能 量；通过微波，自由空间中的定向辐射将能量传送到目标位置；再经过整流， 转化为直流电能。这是未来电能传输的大趋势。通过微波辐射，可将太阳能转 换成的电能进一步转换为微波集束能或激光能，并根据需要将束向控制在需要 电能的地区，在当地再通过微波或激光接收装置将其进一步转换成电能，输入 电网或直接满足不同用户的需要。微波式电能传输技术以微波输能、控制及转 换原理为基础，早已在军事、科学及通信卫星等领域得到广泛应用。以美国为 首的发达国家对微波输电的研究已经开展了四十多年，而在国

8、内，这项决定未 来能源走向的关键工作才刚刚起步。微波辐射式无线电能传输具有非常广泛的 用途，不仅可以民用，还可以用于军事。作为太阳能发电站的传送方式，具有 非常重要的研究意义。利用微波辐射原理传输电能的系统组成如图13-10所示，基本步骤如下所述。图13-10微波辐射传输电能系统 将直流电能转换成微波能量。 经波束成型天线成型发射，经空间传输。 在接收终端，接收微波能量，并将其转换成直流电。微波输电时，微波系统工作频率的选择是一个综合考虑的过程，需要考虑 的因素包括：发射和接收天线的尺寸要求，微波元器件的效率、成本，系统对 现有通信系统的影响，大气传输时的空间衰减等。微波通信使用的频率大部分

9、在220GHz范围内，所以对于不同的地形条件，其反射系数及电平损耗是不 同的。在接收端，微波输电接收单元的关键因素是接收整流天线。这种天线包括 天线和整流器的功能，能够实现能量收集、谐波抑制和整流。微波输电的总效率等于直流到微波、微波传输以及接收整流三部分效率的 总乘积。至2008年，直流转换微波能量装置的效率为70%90%；发射天线的 效率为70%97%；空间传输的效率为5%95%，取决于具体情况；接收转换 直流的效率为85%92%。尽管各部分在各自的相关实验中分别能达到最大效 率，却不能在一个完整的系统中同时实现各自的最大值。现已被实验证实的最 大总效率为54%卧。如果能将各个部分的传输效率更好地匹配，通过改进接 收整流天线的设计，尤其是采用特殊设计的二极管，提高二极管以及接收天线 的效率等措施，总传输效率的理论最大值可达76%卧。13.1.2.4三种无线充电技术的比较在介绍完三种无线充电技术后，对这三种无线充电技术做一个比较，如表 13-1所示。表13-1 三种充电技术比较技术类型基本理役苗用功率传墙距离典型应用感应式感应耦食碰路、交旅电峙&神功率近鎏压器松耦台并麻式磴蜀中财J率感应式电能仿辅系统容性耦合紫摺合电场低功率电容共振式岫共振中做功耶中WiTriaty 技术徽波式微波粮射明磴放远场中高切率远空间太阳能发电艳电