无线充电技术(四种主要方式)原理与应用实例图文详解

无线充电技术(四种主要方式)原理与应用实例图文详解

无线充电已经在电动牙刷、电动剃须刀、无绳电话等部分家电产品中实用化，现在其应用范围又扩大到了智能手机领域及电动汽车和列车领域。未来可以将无线充电装置安装在办公桌内部,只要将笔记本或PDA等电器放在桌上就能够立即供电。

以下是四种主要无线充电方式：

1.电磁感应方式

无线供电驱动一枚60W电灯泡，效率高达75%。

电磁感应无线充电产品示意图

剧下降。下图靠移动送电线圈对准位置来提高效率。

目前，市场上支持无线充电的智能手机和充电器大部分都符合总部位于美国的业界团体“无线充电联盟（WPC）”所制定的“Qi”规格。Qi源自汉语“气功”中的“气”，无线充电方式包括“磁共振”及“电波接收”等多种方式，Qi采用的是“电磁感应方式”。通过实现标准化，只要是带有Qi标志的产品，无论是哪家厂商的哪款机型均可充电。

英国HaloIPT 公司在伦敦利用其最新研发的感应式电能传输技术成功实现为电动汽车无线充电。在展示过程中，该公司将电能接收垫安装于雪铁龙电动汽车车身下侧，这样电池就可以通过无线充电系统进行无线充电。

日产无线充电技术架构

电动牙刷无线充电示意图

一种无线充电器发送和接收原理图

2.磁共振方式

磁共振方式的原理与声音的共振原理相同。排列好振动频率相同的音叉，一个发声的话，其他的也会共振发声。同样，排列在磁场中的相同振动频率的线圈，也可从一个向另一个供电。

相比电磁感应方式，利用共振可延长传输距离。磁共振方式不同于电磁感应方式，无需使线圈间的位置完全吻合。

一个特定的频率上共振，它们就可以交换彼此的能量。

应用：

三菱汽车展示供电距离为20cm，供电效率达90％以上。线圈之间最大允许错位为20cm。如果后轮靠在车挡上停车，基本能停在容许范围内。

索尼公司发布的一款样机：无电源线的电视机利用磁场共振实现无线供电的电视机。

还有将供电线圈埋入道路中，在红灯停车时和行驶中为电动汽车充电的构想，以及利用植入轨道中的线圈为行驶中的磁悬浮列车供电的设想。

韩国首尔一座游乐园内试运行一种新型电车。这种电车在铺有电感应条的路面上行驶时可“无线”充电，不像传统电车需通过路轨或头顶电线获得电力。

电磁感应方式和磁共振方式原理比较

3.电场耦合方式

电场耦合方式的无线供电技术与“电磁感应方式”及“磁场共振方式”不同，电场耦合方式利用通过沿垂直方向耦合两组非对称偶极子而产生的感应电场来传输电力，具有抗水平错位能力较强的特点。

村田制作所的电场耦合方式利用通过沿垂直方向耦合两组非对称偶极子而产生的感应电场来传输电力。其基本原理为：下图中以淡蓝色标示的部分产生强感应电场，通过电场将电力从送电侧转移到受电侧。村田制作所的方法的特点在于非对称偶极子，需要两组电极。村田制作所将其称为active electrode和passive electrode。passive electrode主要起着接地作用。系统通过组合这些电极来传输电力。

首先由放大器略微提高电压，然后通过升压电路一举提高至1.5kV左右。以这一电压传输电力后，再利用降压电路及整流电路转换成实际使用的直流电压。电源电路的开关频率为200 k～400kHz，由此构成系统。

电场耦合方式的特点大致有三：①充电时可实现位置自由，②电极薄，③电极部的温度不会上升。因此不仅能够提供便利性，而且还可降低系统成本。

村田制作所将面向平板终端使用的充电座，量产输出功率为10W的送电模块及受电模块。模块中最厚的部分是变压器。如下图所示：

供平板终端使用的产品，最厚的部分为变压器。

4.无线电波方式

基本原理——类似于早期使用的矿石收音机，主要有微波发射装置和微波接收装置组成，如图，接收电路，可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量，在随负载作出调整的同时保持稳定的直流电压。

Powercast公司研制出可以将无线电波转化成直流电的接收装置，可在约1米范围内为不同电子装置的电池充电。

日本的龙谷大学发布了一项技术成果：移动式无线充电系统，当时就是使用的频率2.45GHz 的微波。

但是实验并不是用实车进行的，而是用的一个警车模型，通过微波送电，点亮了行驶中的模型警车的警灯。

小结：

●一般来说，利用电磁感应原理的无线供电技术最具现实性，并且现在在电动汽车上有实际应用；电磁感应式非接触充电系统存在以下三方面的问题：（1）送电距离比较短，如果两个线圈的横向偏差较大传输效率就会明显下降。目前来看只能实现传输距离为10cm 左右，需要考虑很多的散热问题，比如线圈之间的发热。（2）耦合的辐射问题，电磁波的耦合会不会存在大的磁场泄漏。

电磁感应在线圈之间传输电力，如同我们的磁铁一样，在外圈有一定的泄漏，人如何避免受影响是个很大问题。（3）线圈之间也是有可能有杂物进入的，还有某些动物（猫狗）进入里面，一旦产生电涡流，就如同电磁炉一样，安全性问题非常明显。

●磁场共振方式，则是现在最被看好、被认为是将来最有希望广泛应用于电动汽车的一种方式；磁场共振式供电，目前技术上的难点是，小型、高效率化比较难。现在的技术能力大约是直径半米的线圈，能在1m左右的距离提供60w的电力。

●电磁波送电方式，现在则提出了利用这种技术的“太空太阳能发电技术”，可以从根本上解决电力问题。

●设计最难的部分在于安全。因为无线充电系统与电磁炉一样会发射电磁波能量，有两大问题，一是长期发射，长时间下会造成能源浪费。二是当充电系统上放的金属异物，电磁波对其加热，轻则烧毁装置，重则发生火灾。所以需要有“受电端目标物辨识”，当正确的目标放置时才送电。侦测装置的方法比如：（1）磁力激活：受电端装磁铁，发射端感受到磁力才发送能量。这种方法简单有效。

（2）感应线圈上的资料传送，也是认为最安全的方法，与RFID原理一样，电力传送中识别码一起传送和验证。但解决系统噪声和负载电流变化的干扰是难题。

展望：

●电磁波送电方式的“太空太阳能发电技术”应用，可以从根本上解决电力问题。利用铺设在巨大平板上的亿万片太阳电池，在太阳光照射下产生电流，将电流集中起来，转换成无线电微波，发送给地面接收站。地面接收后，将微波恢复为直流电或交流电，送给用户使用。

●无线供电，使得电动汽车可以提供这么一种可能：一辆电动汽车从出厂到它报废为止，终生不用你去理会电力补充问题

●电动汽车，在太阳能电池技术、无线供电技术、以及自动驾驶技术的支持下，完全可以颠覆现在的交通概念

●N年以后，在高速公路上，车在自动行驶，而汽车、电脑、手机需要的所有电力都来自从路面下铺装的供电系统、或者来自汽车上的接收装置接收的电磁波。

●随着电动汽车的发展无线充电技术必定有着广阔的利用空间。

无线充电站