小功率無(wú)線電源技術(shù)淺析（一）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種便攜式電子產(chǎn)品越來(lái)越多，現(xiàn)代的無(wú)線技術(shù)使它們變得越來(lái)越輕便，越來(lái)越容易聯(lián)網(wǎng)，似乎把數(shù)字時(shí)代迅速地發(fā)展到了無(wú)線時(shí)代，然而電源線妨礙了我們進(jìn)入這個(gè)無(wú)線時(shí)代。

在現(xiàn)實(shí)生活中，每個(gè)電子產(chǎn)品都有一個(gè)與之匹配的充電器，每年全球設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用、制造、運(yùn)輸乃至回收數(shù)以十億計(jì)算的電源適配器引發(fā)了一系列的問(wèn)題，既增加產(chǎn)品的成本，又浪費(fèi)資源、不利于環(huán)保，給使用者帶來(lái)了相當(dāng)大的困惑。具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線電源技術(shù)能夠方便地解決這一系列的問(wèn)題。

1 無(wú)線電源技術(shù)現(xiàn)狀

無(wú)線電源技術(shù)是一種利用無(wú)線電技術(shù)傳輸電力能量的新技術(shù)，電能可以無(wú)接觸地傳輸給負(fù)載。早在20 世紀(jì)70 年代美國(guó)就有相當(dāng)多的人在研究這個(gè)問(wèn)題了，但國(guó)內(nèi)研究的人極少。2008 年12 月17 日，由Convenient Power Limited、Fulton Innovation LLC、Logitech SA、國(guó)家半導(dǎo)體、奧林巴斯、飛利浦、三洋、桑菲電子和德州儀器等公司成立了全球首個(gè)推動(dòng)無(wú)線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的無(wú)線電源聯(lián)盟(Wireless PowerConsortium,簡(jiǎn)稱WPC)，之后三星和諾基亞也加入到這個(gè)聯(lián)盟。2009 年1 月，全球無(wú)線電源聯(lián)盟首次會(huì)議在香港科學(xué)園召開，并啟動(dòng)了提高電子產(chǎn)品充電便利性的最新全球計(jì)劃。2010 年7 月23 日，該聯(lián)盟制定了Qi 標(biāo)準(zhǔn)，確定了低功率(不超過(guò)5W)技術(shù)規(guī)范，定義了界面規(guī)范、測(cè)試程序以及最低性能，2010 年8 月14 日認(rèn)證了第一批產(chǎn)品。2010 年8 月31 日，WPC 將Qi 標(biāo)準(zhǔn)正式引入中國(guó)，并開始了在國(guó)內(nèi)的推廣，之后WPC 陸續(xù)在香港和歐美多個(gè)城市，舉辦了標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布活動(dòng)。目前Qi 標(biāo)準(zhǔn)已被WPC的126 家行業(yè)領(lǐng)先成員公司支持并采用，其中有30%是中國(guó)公司，包括海爾、華為和桑菲通信等。

2 無(wú)線電源技術(shù)原理

無(wú)線電源技術(shù)是一種利用無(wú)線電傳輸電力能量的技術(shù)，它要求傳輸效率盡可能高，傳輸功率盡可能大，這樣才能滿足對(duì)電力的需求。其研究應(yīng)用領(lǐng)域涉及廣泛，傳輸功率相差較大，小到用于生物移植的幾十毫瓦、小型設(shè)備幾十瓦功率，大到電動(dòng)汽車或運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的上千瓦功率以及磁懸浮列車應(yīng)用的上兆瓦功率。目前存在三種解決技術(shù)：電磁感應(yīng)技術(shù)、無(wú)線電波技術(shù)和電磁共振技術(shù)。

2.1 電磁感應(yīng)技術(shù)

此技術(shù)類似電力系統(tǒng)中常用的變壓器技術(shù)。在變壓器的原邊通入交變電流，副邊由于電磁感應(yīng)原理會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，若副邊電路連通，即可出現(xiàn)感應(yīng)電流，其方向遵從楞次定律，大小可由麥克斯韋電磁理論解出。相對(duì)于無(wú)線電源而言，變壓器的原邊相當(dāng)于電源發(fā)射線圈，副邊相當(dāng)于電源接收線圈，這樣就可以實(shí)現(xiàn)電能從發(fā)射線圈到接收線圈的無(wú)線傳輸。這種非接觸式無(wú)線電力傳輸方式制造成本較低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)可靠、傳輸功率可從幾瓦到幾百瓦。

但是傳送距離小于1cm,被充電產(chǎn)品必須置于充電器附近，充電器必須具備對(duì)被充電產(chǎn)品進(jìn)行辨識(shí)的能力，否則會(huì)向附近任意金屬傳輸能量，導(dǎo)致其發(fā)熱并產(chǎn)生危險(xiǎn)。

2.2 電磁共振技術(shù)

這種技術(shù)基于電磁共振耦合原理，需要的發(fā)射和接收兩個(gè)共振系統(tǒng)可分別由感應(yīng)線圈制成。通過(guò)調(diào)整發(fā)射頻率使發(fā)射端以某一高頻率振動(dòng)，其產(chǎn)生的不是彌漫于各處的普通電磁波，在兩個(gè)線圈間形成一種能量通道。接收端的固有頻率與發(fā)射端頻率相同，因而發(fā)生了共振。隨著每一次共振，接收端感應(yīng)器中會(huì)有更多的電壓產(chǎn)生。經(jīng)過(guò)多次共振，感應(yīng)器表面就會(huì)集聚足夠的能量，這樣接收端在此非輻射磁場(chǎng)中接收能量，從而完成了磁能到電能的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了電能的無(wú)線傳輸。這種非接觸式無(wú)線電力傳輸方式傳輸功率可達(dá)幾千瓦、傳送距離可達(dá)3~4 米，但是必須對(duì)所需頻率進(jìn)行保護(hù)，在幾米范圍內(nèi)進(jìn)行傳輸需要幾MHz 到幾百M(fèi)Hz 的頻率。

2.3 無(wú)線電波技術(shù)

這種技術(shù)是利用微波或激光形式來(lái)實(shí)現(xiàn)電能的遠(yuǎn)程傳輸，系統(tǒng)由電磁波發(fā)生器、發(fā)射天線、接收天線、高頻電磁波整流器、變電設(shè)備和有線電網(wǎng)組成。

電磁波發(fā)生器是微波源或激光器，把電源傳送的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榇蠊β?、高頻的電磁波，饋送給發(fā)射天線;發(fā)射天線將電磁波發(fā)送出去;接收天線收集電磁波的能量并輸入高頻電磁波整流器，產(chǎn)生的高壓直流電經(jīng)逆變后送入有線電網(wǎng)。這種非接觸式無(wú)線電力傳輸方式傳送距離可達(dá)10m,但是傳輸功率小(最高100mW)、功效低，發(fā)射器無(wú)線電波發(fā)送的大量功率以無(wú)線電波的方式被浪費(fèi)掉。