无线充电的电力传输技术原理和应用标准

许多先进的电池供电设备都已实现了无线充电。只需要简单支持特定的基站，甚至是来自不同制造商的基站，即可无物理接触地给设备充电。而来自不同制造商的设备之所以具备互操作性，是在于开放标准。开放标准通常是由某一特定行业联盟发起和制定的，这种联盟一般是由该行业对特定技术感兴趣的厂商组成。

无线能量传输的概念已经有一段时间了，确切地说，它已经有100多年的历史，甚至可以追溯到特斯拉发明线圈的时候。无线能量传输的一个关键指标是效率：一个有效的系统，要能够将大部分能量从发射器有效地传输到接收设备。用于近场无线传输的电感耦合方式有两种，分别为标准电感耦合和谐振感应耦合。

通常，标准电感耦合在相对较短的通信距离上可行，因为大多数磁通量在线圈之间不连通，并且磁场衰减很快。而谐振感应耦合效率高（可以达95%），在相对较长的距离（几米）上也可工作，因为谐振线圈可以显著降低能量损耗，因此能够将能量从一个线圈传递到另一个线圈。

应用

无线电力传输（WPT）可以直接为设备（如LED灯或电视）供电，也可以为手机等设备充电，只需简单地将设备放在充电板上即可。植入人体的医疗设备与外部设备之间进行通信早已为人熟知。以心脏起搏器向外部传送诊断参数为例，在这种应用中，放置在设备中的较小匝线圈与位于患者胸部的较大匝线圈之间，通过感应耦合来相互通信。但是，植入式医疗设备需要正常供电，尽管锂离子电池可以使它们自主运行，但更换电池需要侵入式操作，对患者的健康存在一定风险。WPT技术通过无线充电系统解决了这个问题。近年来，一些研究机构，尤其是亚洲的研究机构，对WPT技术在可持续电动出行领域的应用越来越感兴趣。现在的电动汽车需要通过连接器连接到充电桩，来为电池充电。而无线电力传输可省去这类连接器，实现自动充电（图1）。

图1：汽车无线充电

技术

天线辐射的电磁场特性取决于辐射元件的距离。根据距离的远近，电磁场可分为近场和远场。

变压器是众所周知的一个例子，它将能量从初级线圈传递到次级线圈，无需直接的电气连接，而是利用了电磁感应耦合。变压器中有铁氧体磁芯，它需要在初级线圈和次级线圈之间精确对准才能实现可靠的耦合。图2为实现电磁感应耦合的典型电路框图。

图2：电磁感应耦合电路功能框图

其中，第一级有一个逆变器，它以适当的频率（通常在几百千赫和几兆赫之间）将直流电（DC）转换为交流电（AC）。然后，阻抗匹配网络会根据负载调整发射线圈端的阻抗，从而可达到约90％的效率。第二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。这一级也有一个阻抗匹配网络用于确保负载具有适当的阻抗。最后，借助于稳压器，整流器将交流电转换为稳定的直流电流。

因为要求高效率，而且由于磁性材料的笨重，在便携式电子设备中应用该技术会受到自由移动的限制。而且，为使耦合有效，初级和次级必须良好匹配，并且它们之间的距离不能超过几十厘米。因此，电感耦合通常用于为电动车辆供电。

从电感耦合的基本原理出发，通过谐振磁耦合技术是可以增加传输距离的。实际上，谐振磁耦合的基本概念是：由射频源激发的大感应螺旋可以利用其谐振，在另一个相隔一定距离的相似结构中引发共振模式。这样就可以在不使用辐射场的情况下传输电力，这个距离甚至可以达到螺旋尺寸的四倍（图3）。

图3：基于谐振磁耦合的无线电力传输系统。该系统包括4级功率节点，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。

整流器模块用于将50-60 Hz交流电整流并转换为直流电，然后连续的信号提供给RF模块。RF模块是一个放大器，可将直流电压转换为射频电压，用于驱动环路传输。在接收端，接收的谐振回路将RF信号传输给整流器，由整流器适当调节，为负载提供直流电。尽管未在图中显示，这些系统中通常还包含阻抗匹配网络，以实现电源与负载之间适当的传输效率。

图4：基于谐振磁耦合的WPT技术的RLC电路

这个系统也可以用RLC电路（图4）来表示，能量以谐振频率在电感器L和电容器C之间振荡，其中，在电感器L处，能量储存在磁场中；在电容器C处，能量在电场中积累。谐振器积累的能量质量由品质因数Q来定义，Q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时，它们之间会发生耦合，从而实现能量的传输。 以下公式给出了电力传输的最佳效率：

可以看出，效率仅取决于表示耦合良好的品质因数U。

与电磁感应耦合相比，谐振磁耦合具有很多优点：

•       无需铁氧体磁芯令其更轻，更易于集成；

•       发射器和接收器之间的距离可以达到4米，且两个环路之间无需完美对准。

接收线圈和传输线圈在磁流场中的对准以及线圈之间的距离决定了能量传输的效率。还有一些因素也对传输效率有很大的影响，如谐振频率、发送线圈与接收线圈的尺寸之比、耦合系数、绕组阻抗和线圈的寄生电流。

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。其顶层架构如图5所示。

图5：Qi架构

其中基站包含一个或多个功率发射器：每个都具备同一时间向单个移动设备提供无线电力传输的能力，并且原则上都由功率转换单元、控制单元和通信单元组成。Qi标准已经为消费市场所熟悉，并广泛应用于各种移动设备。即使是发展中国家也可以从这项技术中受益，比如，德州仪器（TI）开发的电路板TIDA-00881项目，可为其它TI低功耗板（包括Launchpad系列板）添加符合无线Qi标准的电源功能。

英飞凌则提供了适用于多种无线充电标准的功率MOSFET，并且是无线电源联盟（WPC）和AirFuel联盟的活跃成员，这两个是业界领先的无线充电技术联盟。AirFuel联盟定义了谐振WPT标准，规定了6.78 MHz的工作频率，并允许同时为多个设备充电。英飞凌的BSZ0909ND尤其适用于无线充电架构或飞行组件（例如在无人机或多引擎设备中），可以帮助这类设备的设计师在不降低效率的前提下简化布局，并节省空间。

结语

移动设备各种各样，例如手机、平板电脑、媒体播放器和移动电视，每个设备都需要不同的适配器和不同的接口连接器。用户必须携带多个连接器和适配器，虽然目的只有一个，即移动设备充电。而通用无线适配器，在强大的支持架构和相关生态系统的配合下，可以很好地解决这个问题。

（参考原文：Wireless Power Transfer Technology）

责编：Amy Guan

本文为《电子工程专辑》2020年4月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅