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無(wú)線供電(Wireless Power)技術(shù)及系統(tǒng)組成
2010/7/4 10:24:19    

無(wú)線供電技術(shù)(Wireless Power)種類(lèi)日漸增多,再加上產(chǎn)品商家或技術(shù)推廣人員有意無(wú)意地或混淆或夸大相關(guān)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)或局限性,使得如何選擇合適自己的技術(shù)平臺(tái),對(duì)于普通的工程技術(shù)人員或市場(chǎng)銷(xiāo)售人員來(lái)說(shuō),成了一件并不那么輕松的事情。

理論上講,在當(dāng)今可達(dá)到無(wú)線供電的途徑主要有三種,它們各自具有的優(yōu)越特性,使得這項(xiàng)技術(shù)被應(yīng)用到各個(gè)不同的領(lǐng)域成為了可能。


1、RF(射頻)接收技術(shù)


射頻電力傳輸系統(tǒng),常被稱作射頻接收系統(tǒng),可以從某主動(dòng)發(fā)射裝置或從周邊環(huán)境中采集能量。這些系統(tǒng)能以較低效率提供低電量,端到端的狀況下效率通常會(huì)低于1%,但輻射半徑卻可達(dá)數(shù)米。因?yàn)榭梢詾榫嚯x在幾米內(nèi)的儀器提供毫瓦級(jí)電量,故其在遙測(cè)領(lǐng)域被較多地使用。

但這種技術(shù)并不適用于消費(fèi)類(lèi)電子市場(chǎng)。主流產(chǎn)品所要求的電壓明顯高于RF技術(shù)能限達(dá)幾個(gè)數(shù)量級(jí)。就算是接收量以10mW為單位,想要將一普通手持設(shè)備充滿也要長(zhǎng)達(dá)60至80天!


2、激光技術(shù)


此類(lèi)技術(shù)能將高頻電磁能量徑直發(fā)送到指定的目標(biāo)。激光系統(tǒng)使用的這種激光會(huì)被集中于一個(gè)光電轉(zhuǎn)換單元,在這里光能將被轉(zhuǎn)化成為電能。但是在電轉(zhuǎn)化為光、光轉(zhuǎn)化為電的這一過(guò)程之后,卻顯現(xiàn)出了低轉(zhuǎn)化效率這一缺陷。并且這種有高頻參與的方法是否能通過(guò)相關(guān)安全法規(guī),成為了如今討論的重點(diǎn)。


3、電感技術(shù)


電感系統(tǒng)使用初級(jí)線圈進(jìn)行能量發(fā)送,而次級(jí)線圈則負(fù)責(zé)接收能量。因?yàn)檫@些線圈共同存在于它們的磁場(chǎng)中,故不需要“電”來(lái)參與連接的過(guò)程。電感供電系統(tǒng)又分兩大類(lèi):密耦合系統(tǒng)與疏耦合系統(tǒng)。其中密耦合分支是較為常用的一種,并被普遍應(yīng)用于消費(fèi)市場(chǎng)、工業(yè)、軍事以及醫(yī)學(xué)等諸多方面。而疏耦合分支則是被認(rèn)為很有潛力的新技術(shù),但同時(shí)也面臨著一些技術(shù)挑戰(zhàn)。

(1)密耦合電感系統(tǒng)

密耦合電感供電系統(tǒng),它們依靠彼此的初級(jí)、次級(jí)線圈產(chǎn)生的緊密電磁連接進(jìn)行工作。其中的耦合系數(shù),即一項(xiàng)衡量磁鏈的系數(shù),通常會(huì)大于0.5,在標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)中還會(huì)超過(guò)0.99。所以在某些特定的應(yīng)用領(lǐng)域,此類(lèi)系統(tǒng)的直流電轉(zhuǎn)換效率通常都會(huì)高達(dá)90%-95%。

但是此類(lèi)系統(tǒng)的缺點(diǎn)是必須以初級(jí)線圈為基準(zhǔn),極其精確地布置次級(jí)線圈。如果此系統(tǒng)的布局不準(zhǔn)確,會(huì)導(dǎo)致耦合系數(shù)急劇下降并最終影響系統(tǒng)效率。這類(lèi)系統(tǒng)所要求的準(zhǔn)確精度高達(dá)+/-3mm,因此最近已經(jīng)針對(duì)此問(wèn)題專(zhuān)門(mén)配套了一個(gè)磁校準(zhǔn)系統(tǒng)。另一缺點(diǎn)是一套系統(tǒng)只能支持單個(gè)儀器上的單個(gè)接收器,因?yàn)榇嗣荞詈戏ǖ某跫?jí)、次級(jí)線圈在尺寸上要非常地符合。

(2)疏耦合電感系統(tǒng)

疏耦合電感無(wú)線供電系統(tǒng)所利用的磁鏈可以非常疏松,通過(guò)在共振或近共振下的運(yùn)作,使得以高于80%的轉(zhuǎn)換效率傳送300W的電量成為可能,并且不必在乎初級(jí)、次級(jí)線圈的相對(duì)位置、轉(zhuǎn)角、或者是排列等的諸多問(wèn)題。

對(duì)于這種長(zhǎng)距有效并無(wú)需擺位的無(wú)線供電系統(tǒng)來(lái)說(shuō),其致命的缺點(diǎn)是在運(yùn)作的同時(shí),同樣會(huì)把產(chǎn)生的較高的噪波傳導(dǎo)并發(fā)送出去。此系統(tǒng)在需要努力通過(guò)常規(guī)測(cè)試的同時(shí),也面臨著在嚴(yán)重的電磁干擾上的巨大挑戰(zhàn)。來(lái)自于一國(guó)際頂級(jí)手機(jī)生產(chǎn)廠家的報(bào)告中指出,一部5W的疏耦合無(wú)線供電器可以使一部移動(dòng)電話的觸摸屏、FM收音器和GSM接入裝置失靈。在另一個(gè)實(shí)驗(yàn)中,一部傳輸范圍在17cm*17cm*5cm的疏耦合無(wú)線供電系統(tǒng)在基調(diào)40dBV進(jìn)行測(cè)試后,結(jié)果是無(wú)法達(dá)到FCC(美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì))第十五章的要求。

另外,除了會(huì)產(chǎn)生較高的噪波外,疏耦合系統(tǒng)還要求精確的生產(chǎn)公差,并且在次級(jí)儀器端為了應(yīng)對(duì)過(guò)電壓或過(guò)電流而必備的控制與通信系統(tǒng),其價(jià)格的昂貴程度已經(jīng)街知巷聞了。所以如何在以上的幾個(gè)種類(lèi)中進(jìn)行衡量并針對(duì)相關(guān)應(yīng)用選擇最適合的方案,就變得很重要了。


4、電感供電技術(shù)的組成


電感供電是目前比較成熟的無(wú)線供電技術(shù),并早已進(jìn)入日常生活,如電動(dòng)牙刷等。比如當(dāng)你認(rèn)為電感供電技術(shù)是對(duì)你的產(chǎn)品方案最好的選擇,那么你就需要組建一個(gè)由具備高端電磁知識(shí)、電力電子知識(shí)、控制論知識(shí)、材料學(xué)知識(shí)、EMI/EMC(電磁干擾與兼容)控制知識(shí)的工程師組成的團(tuán)隊(duì),根據(jù)不同的系統(tǒng)可能還需要信息工程師,這樣才可以保證相關(guān)產(chǎn)品的順利開(kāi)發(fā)及開(kāi)展。

(1)電磁系統(tǒng)部分(EM):負(fù)責(zé)發(fā)送與捕獲能量的電磁部分當(dāng)然是整個(gè)系統(tǒng)的重點(diǎn)。對(duì)于電感系統(tǒng)來(lái)說(shuō),電磁因素所指的就是線圈及磁性材料了。制作線圈及磁性材料時(shí),可用的方法其實(shí)僅為屈指可數(shù)的幾種,而且一些關(guān)鍵的方案可以在公共資源中找到。最終系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞決定于發(fā)送及接收線圈的架構(gòu)優(yōu)化程度,所以設(shè)計(jì)這些線圈的工程師不僅要熟知建立和覆蓋磁場(chǎng)的知識(shí),也要懂得電場(chǎng)知識(shí),而且還要了解其相互的作用力及周?chē)h(huán)境會(huì)造成的影響?偠灾,工程師們一定要對(duì)分析與計(jì)算科學(xué)有較為深刻與廣闊的理解,才能保證最終的效果。

(2)電力電子部分(Power electronics):這一部分實(shí)際是作為電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一部分存在的,內(nèi)容可能會(huì)包括交流-直流繼電器,或者電機(jī)馬達(dá)的控制等。在無(wú)線供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,則需要工程人員要熟知模擬電路及獨(dú)立元件的特性,并兼知磁性材料科學(xué)、電池技術(shù)和熱能控制技術(shù)。

(3)自動(dòng)控制部分:自動(dòng)控制是一項(xiàng)關(guān)于如何建立組織并對(duì)其進(jìn)行控制的科學(xué),涉及了電子及機(jī)械兩大學(xué)科。如在這種電力和磁力相關(guān)組成的系統(tǒng)中,則需要負(fù)責(zé)此部分的工程師必須具備可以開(kāi)發(fā)及控制系統(tǒng)的能力。

(4)材料科學(xué):相關(guān)工程師一定要熟悉各種材料的電子性能、磁性能、熱性能以及機(jī)械性能。這里則要求了須使用新型材料用于E&H的磁場(chǎng)屏蔽,很多用于無(wú)線供電系統(tǒng)的材料在2009年之前都沒(méi)有被找到,因?yàn)楹芏喽疾环舷嚓P(guān)要求。

(5)電磁干擾與電磁兼容(EMI&EMC):想要對(duì)電磁干擾和電磁兼容性進(jìn)行控制,必須具備先進(jìn)的噪聲控制技術(shù)。像無(wú)線供電這樣的系統(tǒng)會(huì)向周?chē)臻g及電源線發(fā)射較高的噪波,故傳統(tǒng)的反噪波方案在此并不會(huì)奏效。這就要求工程師們不僅要熟悉各噪聲源,還要了解傳導(dǎo)發(fā)射與空間輻射在普通狀態(tài)和特殊狀態(tài)下的相應(yīng)防范措施。

(6)通信系統(tǒng)部分:組成通信系統(tǒng)的方法很多,他的作用其實(shí)就是使一部?jī)x器可以連接到無(wú)線供電系統(tǒng)。這種連接使得儀器能與無(wú)線傳送端的控制系統(tǒng)共享必要的信息,如電量狀態(tài)與請(qǐng)求信息等。此部分將成為全系統(tǒng)中最昂貴的一個(gè)環(huán)節(jié)。

最后除了這些工程人員的資歷審核外,還要強(qiáng)烈建議你尋找一家IP(知識(shí)產(chǎn)權(quán))供應(yīng)商,因?yàn)榈浆F(xiàn)在已經(jīng)有超過(guò)200項(xiàng)的相關(guān)專(zhuān)利,形成的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)完全覆蓋了整個(gè)無(wú)線供電技術(shù)行業(yè)!千萬(wàn)不能圖快圖省事,不然可能引發(fā)的產(chǎn)權(quán)訴訟可能會(huì)令企業(yè)無(wú)法招架而導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。

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