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無先充電技術原理詳解

2016-03-04 16:52      點擊:

無線充電原理詳解

支持無線充電的智能手機從2011年夏季前后開始上市。任何廠商的任何機型均可使用的“Qi”規格將成為全球標準。停車即可充電的EV(電動汽車)用充電系統也在推進研發。

無線充電已經在電動牙刷、電動剃須刀、無線電話等部分家電產品中實用化,現在其應用范圍又擴大到了智能手機領域。

NTT DoCoMo在2011年夏季以后陸續上市了多款支持無線充電的智能手機和充電座。這些手機無需在手機上插上充電線纜,只需放置在充電座上即可為電池充電。今后NTT DoCoMo將在電影院、餐廳、酒店、機場休息室等公共場所設置充電座,便于用戶在外出時使用。

 

 

 

軟銀移動也預定2012年1月上市支持無線充電的智能手機。KDDI正在開發車載式智能手機的無線充電座。

未來無線充電的應用范圍將有望擴大到EV的充電系統。

目前,市場上支持無線充電的智能手機和充電器大部分都符合總部位于美國的業界團體“無線充電聯盟(WPC)”所制定的“Qi”規格。Qi源自漢語“氣功”中的“氣”,以松下、韓國三星電子、英國索尼愛立信、芬蘭諾基亞、電裝為首,許多國家的家電廠商和汽車廠商都相繼加盟了WPC。

 

 

 

無線充電方式包括“磁共振”及“電波接收”等多種方式,Qi采用的是“電磁感應方式”。通過實現標準化,只要是帶有Qi標志的產品,無論是哪家廠商的哪款機型均可充電。

19世紀發現的物理現象

電磁感應方式采用了19世紀上半期發現的物理現象。眾所周知,電流流過線圈時,周圍會產生磁場。1820年,丹麥物理學家漢斯·奧斯特(Hans Oersted)發現了這種電磁效應。

用沒有通電的其他線圈接近該磁場,線圈中就會產生電流,由此點亮燈泡。1831年,英國物理學家邁克爾·法拉第(Michael Faraday)發現了這個可從線圈向線圈供電的物理現象,并稱之為電磁感應現象。

 

 

 

 

 

 

無線充電使用的充電座和終端分別內置了線圈,使二者靠近便開始從充電座向終端供電。為提高供電效率,需要使線圈之間的位置對齊,不產生偏移。因此,各廠商在位置定位方法方面紛紛開動腦筋。

從事智能手機外設業務的日本Oar公司于2011年8月推出了名為“無線充電板”的充電座。內置有磁鐵,用于將終端吸引到指定位置。

松下于2011年6月投放了無線充電座“無接點充電板”。尺寸約為鼠標墊大小,表示實現了“位置自由(Free Positioning)”,將終端放在充電板上的任何位置均可充電。

充電座內部的線圈帶有驅動裝置,可在平面中移動。通過自動檢測終端放置位置,并移動至該位置,使線圈的位置相一致。

該充電座的開發人員、松下集團三洋電機能源設備公司(SANYO Electric Energy Devices Company)充電系統事業部長佐野正人就位置自由實現實用化的理由解釋說,“用戶希望能更便利地充電”。

日立麥克賽爾于2011年4月面向美國蘋果的人氣智能手機“iPhone”上市了無線充電器“AIR VOLTAGE”。由于iPhone不支持無線充電,所以需要套上內置有線圈的專用外殼才能使用。

電場耦合方式不使用線圈

另外,麥克賽爾的充電座有為一部終端充電和為兩部終端充電的款式。兩部款的尺寸為鼠標墊大小,可在左右各放置一部終端。內部排列了14個線圈,左右各7個,用這些線圈覆蓋了充電座的廣大范圍。由此,終端可以比較自由地放置在充電座上。在7個線圈中可最多自動選擇3個能高效傳輸的線圈來供電。

日立麥克賽爾2011年11月還面向“iPad2”上市了無線充電器“AIR VOLTAGEfor iPad2”。該充電器未采用Qi規格,而是全球首次采用了“電場耦合方式”。

電場耦合方式不使用線圈,而是在供電側和受電側設置電極,利用二者之間產生的電場供電。為iPad2套上內置有受電用電極的專用外殼來充電。

電場耦合方式的特點是,輸出功率比Qi大,即使電極之間的位置稍有偏移也可維持高傳輸效率。模塊由村田制作所開發。

 

 

 

EV的無線充電方面,采用磁共振方式的汽車廠商比較多。

磁共振方式由美國麻省理工學院(MIT)物理學家馬林·索爾賈希克(Marin Soljacic)于2007年進行了驗證,自此受到了廣泛關注。

磁共振方式的原理與聲音的共振原理相同。排列好振動頻率相同的音叉,一個發聲的話,其他的也會共振發聲。同樣,排列在磁場中的相同振動頻率的線圈,也可從一個向另一個供電。

利用共振還可延長傳輸距離。電磁感應方式的供電距離最大為數mm~10cm左右,而磁共振方式如果線圈夠大,可向數m遠以外供電。

汽車的車底到地面一般有15cm左右的距離。如果在車底安裝受電線圈,在自家停車場的地面埋入供電線圈,便可在停車時充電。能夠省去連接充電線纜的麻煩。

另外,磁共振方式不同于電磁感應方式,無需使線圈間的位置完全吻合。即使停車位置與固定位置稍微錯開,線圈之間也會共振。

還將用于磁懸浮

三菱汽車2011年9月與美國風險企業WiTricity和IHI就共同開發磁共振方式無線充電系統達成了一致。在2011年12月上旬于東京有明國際展示場(東京有明國際會展中心)舉行的東京車展上,展示了該無線充電系統。

供電距離為20cm,供電效率達90%以上。線圈之間最大允許錯位為20cm。如果后輪靠在車擋上停車,基本能停在容許范圍內。隨著研究的推進,將來或許能進一步擴大容許范圍。

豐田也于2011年4月與WiTricity公司就磁共振方式展開了技術合作,并在東京車展上展示了用于電動三輪踏板摩托車和四輪汽車的無線充電系統。

另外,還有將供電線圈埋入道路中,在紅燈停車時和行駛中為電動汽車充電的構想,以及利用植入軌道中的線圈為行駛中的磁懸浮列車供電的設想。

除此之外,在家中的家具、地板和墻壁等中埋入線圈的研究也在推進之中。也許未來我們會迎來完全無需使用電線的生活。

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