鋰電池?zé)o線充電技術(shù)原理解析

鋰電池的無線充電技術(shù)作為當(dāng)代一種新型的充電技術(shù)，在可穿戴領(lǐng)域的電子設(shè)備廣受歡迎。該技術(shù)使電子設(shè)備擺脫了電線的限制，實(shí)現(xiàn)電器和電源完全分離。在安全性，靈活性等方面顯示出比傳統(tǒng)充電器更好的優(yōu)勢。

無線供電原理及實(shí)現(xiàn)方法：

無線充電利用電磁波感應(yīng)原理進(jìn)行充電，原理類似于變壓器。在發(fā)送和接收端各有一個(gè)線圈，發(fā)送端線圈連接有線電源產(chǎn)生電磁信號(hào)，接收端線圈感應(yīng)發(fā)送端的電磁信號(hào)從而產(chǎn)生電流。

2007年6月麻省理工學(xué)院以MarinSoljacic為首的研究團(tuán)隊(duì)首次演示了利用電磁感應(yīng)原理的燈泡無線供電技術(shù)，他們可以在一米距離內(nèi)無線給60瓦的燈泡提供電力，電能傳輸效率高達(dá)75%。

研究者由此設(shè)想電源可以在這范圍內(nèi)為電池進(jìn)行無線充電，進(jìn)而推想只需要安裝一個(gè)電源，即可為整個(gè)屋里的用電器供電。傳輸線圈的工作頻率在兆赫茲范圍，接收線圈在非輻射磁場內(nèi)部發(fā)生諧振，以相同的頻率振蕩，然后有效的通過磁感應(yīng)進(jìn)行電能傳輸。

實(shí)現(xiàn)無線充電技術(shù)主要通過四種方式：電磁感應(yīng)式、磁場共振式、無線電波式、電場耦合式。

1、電磁感應(yīng)式

1890年，物理學(xué)家兼電氣工程師尼古拉?特斯拉就已經(jīng)做了無線輸電試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了交流發(fā)電。

邁克爾?法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)原理，電流通過線圈會(huì)產(chǎn)生磁場，其他未通電的線圈靠近磁場就會(huì)產(chǎn)生電流。

電磁感應(yīng)式充電：初級(jí)線圈一定頻率的交流電，通過電磁感應(yīng)在次級(jí)線圈鐘產(chǎn)生一定的電流，從而將能量從傳輸端轉(zhuǎn)移到接收端。目前最為常見的充電墊解決方案就采用了電磁感應(yīng)，事實(shí)上，電磁感應(yīng)解決方案在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上并無太多神秘感，中國本土的比亞迪公司，早在2005年12月申請(qǐng)的非接觸感應(yīng)式充電器專利，就使用了電磁感應(yīng)技術(shù)。

電磁感應(yīng)式是當(dāng)前最成熟、最普遍的無線充電技術(shù)，原理有些類似于變壓器。

2、磁場共振式

磁場共振充電由能量發(fā)送裝置，和能量接收裝置組成，當(dāng)兩個(gè)裝置調(diào)整到相同頻率，或者說在一個(gè)特定的頻率上共振，它們就可以交換彼此的能量，是目前正在研究的一種技術(shù)，由麻省理工學(xué)院(MIT)物理教授MarinSoljacic帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)利用該技術(shù)點(diǎn)亮了兩米外的一盞60瓦燈泡。該實(shí)驗(yàn)中使用的線圈直徑達(dá)到50cm，還無法實(shí)現(xiàn)商用化，如果要縮小線圈尺寸，接收功率自然也會(huì)下降。

相比電磁感應(yīng)方式，利用共振可延長傳輸距離。磁共振方式不同于電磁感應(yīng)方式，無需使線圈間的位置完全吻合。

應(yīng)用：意法半導(dǎo)體與WiTricity合作開發(fā)諧振無線電能傳輸芯片

意法半導(dǎo)體(簡稱ST)與超長距離無線電能傳輸技術(shù)先驅(qū)WiTricity公司,宣布合作開發(fā)電磁諧振式無線電能傳輸半導(dǎo)體解決方案。

此方案支持消費(fèi)電子和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備快速無線充電,并支持多個(gè)設(shè)備同時(shí)充電。這個(gè)電磁諧振無線電能傳輸芯片被稱為“無線充電2.0”,與現(xiàn)有無線充電技術(shù)不同的是,這款芯片能夠給金屬外殼的智能手機(jī)、平板電腦和智能手表高效充電。

3、無線電波式

無線電波式充電：這是發(fā)展較為成熟的技術(shù)，類似于早期使用的礦石收音機(jī)，主要有微波發(fā)射裝置和微波接收裝置組成，可以捕捉到從墻壁彈回的無線電波能量，在隨負(fù)載作出調(diào)整的同時(shí)保持穩(wěn)定的直流電壓。此種方式只需一個(gè)安裝在墻身插頭的發(fā)送器，以及可以安裝在任何低電壓產(chǎn)品的“蚊型”接收器。

整個(gè)傳輸系統(tǒng)包括微波源、發(fā)射天線、接收天線3部分;微波源內(nèi)有磁控管，能控制源在2.45GHz頻段輸出一定的功率。

應(yīng)用：AirVolt無線充電器

AirVolt是一款利用無線電波給移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行充電的無線充電器。和同類型產(chǎn)品一樣,它的效率要比有線充電低一些。AirVolt充電頭通電后可以將電能轉(zhuǎn)化為電磁波,接收器獲取后會(huì)將電磁波又轉(zhuǎn)化為電能為手機(jī)充電。當(dāng)電量充滿到80%時(shí)就會(huì)自動(dòng)停止充電,低于20%時(shí)又會(huì)自動(dòng)充電,既保證了手機(jī)最佳電量又不會(huì)導(dǎo)致過度充電,增加了電池使用壽命。

AirVolt由TechNovator公司開發(fā),需要充電時(shí)只要將接收器插進(jìn)手機(jī),再將充電頭插上插座就能進(jìn)行遠(yuǎn)程無線充電。最佳充電距離是9米之內(nèi),而最遠(yuǎn)距離可達(dá)12米,躲到屋里任何一個(gè)角落都能充電!接收器和充電頭體積都足夠小，充電速度就比普通充電器慢一些。有Lightning或MicroUSB兩種接口選擇,滿足不同需要。

4、電場耦合式

電場耦合式充電原理：利用通過沿垂直方向耦合兩組非對(duì)稱偶極子而產(chǎn)生的感應(yīng)電場來傳輸電力。一般充電模塊是由2個(gè)非對(duì)稱偶極子按垂直方向排列而成的，這組偶極子各由供電部分和接收部分的活性炭電極和接地電極組成。無線供電模塊就是通過這2個(gè)非對(duì)稱偶極子的電場耦合而產(chǎn)生的感應(yīng)電場來供電的。

電場耦合方式的特點(diǎn)大致有三：①充電時(shí)可實(shí)現(xiàn)位置自由，②電極薄，③電極部的溫度不會(huì)上升。因此不僅能夠提供便利性，而且還可降低系統(tǒng)成本。目前已試制完成為平板終端及電子書等便攜終端進(jìn)行無線供電的供電臺(tái)。

無線充電技術(shù)會(huì)因距離增大使設(shè)備的耗能曾高。要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離大功率的無線電磁轉(zhuǎn)換，設(shè)備的耗能較高。所以,實(shí)現(xiàn)無線充電的高效率能量傳輸，是無線充電技術(shù)普及的首要問題。

無線充電的優(yōu)點(diǎn)：

（1）便捷性：非接觸式，一對(duì)多充電與一般充電器相比，減少了插拔的麻煩，同時(shí)亦避免了接口不適用，接觸不良等現(xiàn)象，老年人也能很方便地使用。一臺(tái)充電器可以對(duì)多個(gè)負(fù)載充電，一個(gè)家庭購買一臺(tái)充電器就可以滿足全家人使用。

（2）通用性：應(yīng)用范圍廣只要使用同一種無線充電標(biāo)準(zhǔn)，無論哪家廠商的哪款設(shè)備均可進(jìn)行無線充電。

（3）新穎性，用戶體驗(yàn)好

（4）具有通用標(biāo)準(zhǔn)

主流的無線充電標(biāo)準(zhǔn)有：Qi標(biāo)準(zhǔn)、pMA標(biāo)準(zhǔn)、A4Wp標(biāo)準(zhǔn)。

Qi標(biāo)準(zhǔn)：Qi標(biāo)準(zhǔn)是全球首個(gè)推動(dòng)無線充電技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化組織——無線充電聯(lián)盟（WpC，2008年成立）推出的無線充電標(biāo)準(zhǔn)，其采用了目前最為主流的電磁感應(yīng)技術(shù)，具備兼容性以及通用性兩大特點(diǎn)。只要是擁有Qi標(biāo)識(shí)的產(chǎn)品，都可以用Qi無線充電器充電。2017年2月，蘋果加入WpC。

pMA標(biāo)準(zhǔn)：pMA聯(lián)盟致力于為符合IEEE協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)的手機(jī)和電子設(shè)備，打造無線供電標(biāo)準(zhǔn)，在無線充電領(lǐng)域中具有領(lǐng)導(dǎo)地位。pMA也是采用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)無線充電。目前已經(jīng)有AT&T、Google和星巴克三家公司加盟了pMA聯(lián)盟。

A4Wp：AllianceforWirelesspower標(biāo)準(zhǔn)，2012年推出，目標(biāo)是為包括便攜式電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車等在內(nèi)的電子產(chǎn)品無線充電設(shè)備設(shè)立技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)對(duì)話機(jī)制。A4Wp采用電磁共振原理來實(shí)現(xiàn)無線充電。

無線充電的缺點(diǎn)：

（1）工作距離短

目前的無線充電技術(shù)大多在短距離范圍內(nèi)的近磁場對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行無線充電。因?yàn)闊o線電能傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，功率的耗損也就會(huì)越大，能量傳輸效率就會(huì)越低，且會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的耗能較高。

（2）轉(zhuǎn)換效率低，速度慢

無線充電技術(shù)雖然簡單便捷，但是其硬傷在于緩慢的充電速度和充電效率。

（3）功耗較高，更加費(fèi)電

隨著無線充電設(shè)備的距離和功率的增大，無用功的耗損也就會(huì)越大。

（4）成本較高，維護(hù)消耗大，不符合標(biāo)準(zhǔn)會(huì)有安全隱患危險(xiǎn)。