无线能量传输

许多最先进的电池供电技术设备提供了在没有物理连接到电源的情况下充电的可能性，而是通过对特殊基站的简单支持，而且不一定必须由相同的基站提供设备的制造商。如果来自不同制造商的设备能够相互操作，那是由于存在开放标准，通常由对特定技术开发感兴趣的各种品牌联合开发。

无线能量传输的概念已经为人所知有一段时间了，准确地说是 100 多年，其历史可以追溯到特斯拉线圈的发明。无线能量传输的一个关键因素是效率：为了能够有效地定义系统，发电机传输的大部分能量必须到达接收设备。可用于近场无线传输的两种电感耦合过程是标准电感耦合和谐振电感耦合。

通常，标准电感耦合在相对较短的通信距离内是可行的，因为大部分磁通量没有连接在线圈之间并且磁场衰减很快。电感谐振耦合提供更高的效率（高达 95%），即使在相对较长的距离（几米）下也能工作，因为谐振线圈显着降低了能量损失，允许能量从一个线圈传输到另一个线圈。

应用

无线电源传输 (WPT) 既可用于直接为 LED 灯或电视等设备供电，也可通过简单地将其放在船上为手机等电池充电。植入人体的医疗设备与外部设备之间的通信早已为人所知。由和平缔造者向外传送的诊断参数给出了一个例子。在此应用中，放置在设备外壳中的小圈和位于患者胸部的较大圈之间的电感耦合允许通信。然而，植入式医疗设备需要适当供电，虽然使用锂离子电池可以让它们自主运行，但更换它们需要进行侵入性操作，对患者的健康构成相对风险。WPT 技术可以通过无线充电系统解决这个问题。近年来，WPT技术在可持续电动交通领域的应用引起了研究机构的兴趣，尤其是在亚洲。今天，电动汽车需要通过连接器连接到电源插座来为电池充电。无线电源传输允许消除此类连接器并实现自动充电（图 1）。

图 1：汽车无线充电

技术

从天线辐射的电磁场呈现出的特性取决于与辐射元件的距离。特别是，我们可以区分两个区域：近场区域和远场区域。

我们都知道的一个例子是变压器，它在没有直接电气连接的情况下将能量从初级线圈传输到次级线圈，而是使用磁感应耦合。变压器由铁氧体磁芯制成，需要在初级侧和次级侧之间精确对准以实现强耦合。图 2 显示了实现电感磁耦合的典型电路的框图。
 

图 2：感应磁耦合电路示意图

第一级由逆变器表示，它将直流电 (DC) 转换为适当频率的交流电 (AC)（通常在数百千赫兹和几兆赫兹之间的范围内）。之后，阻抗匹配网络会根据负载调整发射线圈看到的阻抗，这样可以达到大约 90% 的效率。下一级由发射线圈和接收线圈组成，分别用于产生磁场和拦截磁场。第二个阻抗匹配网络确保负载具有适当的阻抗，最后，整流器通过稳压器将交流电转换为稳定的直流电。

由于需要高效率和大块磁性材料的重量，该技术在便携式电子设备中的使用受限于有限的移动自由。为了使耦合有效，初级和次级侧必须对齐良好，并且它们之间的距离不应超过几十厘米的长度。由于这些原因，电感耦合通常用于为电动汽车供电。

从电感耦合的基本原理出发，通过谐振磁耦合技术可以增加传输距离。共振磁耦合背后的概念如下：由射频源激发的大电感螺旋可以利用其共振在另一个类似结构中感应出共振模式，放置在一定距离。这允许在不使用辐射场的情况下获得功率传输，距离甚至可以是螺旋大小的四倍（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 个功率级组成，即功率因数校正 (PFC) 转换器、RF 放大器、线圈或谐振器以及板载整流器。

50-60Hz交流电经整流块整流后转换为直流电。然后，连续信号提供给 RF 模块，这是一个放大器，可将 DC 电压转换为射频电压，用于驱动环路进入传输。在接收端，输入谐振回路将射频信号传输到整流器，整流器为负载提供适当调节的直流电。尽管图中未显示，但这些系统通常包括阻抗匹配网络，以在源和负载之间实现可接受的传输效率。

图 4：基于谐振磁耦合的 WPT 技术 RLC 电路

该系统可以表示为一个 RLC 电路（图 4），其中，在谐振频率下，能量在电感器 L 之间振荡，电感器 L 存储在磁场中，电容器 C 中它积累在电场中。谐振器积累能量的质量由品质因数 Q 定义，它是谐振频率 w0 和损耗因数 Γ 的函数：

当两个相似的谐振器以谐振频率彼此靠近放置时，它们之间会发生耦合，从而实现能量传输。以下公式给出了进行功率传输的最佳效率：

可以看出，它仅取决于表示耦合优度的优值因子 U。

与磁感耦合相比，谐振磁耦合具有相当大的优势：

没有铁氧体磁芯使它们更轻，因此更易于集成；

发射器和接收器之间的距离可以达到 4 米，而不受两个回路之间完美对齐的高度限制；

流场中接收线圈和传输线圈的对齐方式以及线圈之间的距离决定了能量传输的效率。谐振频率、传输线圈尺寸与接收线圈尺寸之比、耦合系数、绕组阻抗、线圈寄生电流等因素对传输效率能量有很大影响。

Qi协议

Qi 系统是无线电力传输的标准。它由两个基本模块组成，即基站和移动设备。其最高层架构如图5所示。

图 5：Qi 架构

基站包括一个或多个功率发射器：它们中的每一个都可以一次向单个移动设备提供无线电力
传输功能，并且原则上由功率转换单元和控制单元以及通信组成。Qi 标准已经出现在消费市场上，用于各种移动设备。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，添加到其他TI低功耗电路板（包括快速启动系列）电源功能齐兼容的无线。



审核编辑：刘清