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无线功率传输技术可以走多远?

2021-08-12 10:45:49 Lily Yeung ,Molex企业发展总监兼Molex莫仕子公司Molex Ventures,L 阅读:
人们越来越习惯于通过无线接口来传送能量,例如各式各样的无线耳机和电磁炉等应用。然而,这项技术究竟还能给我们带来多少便利?我们能否在不插电的情况下为汽车充电,或者在不架设电塔和挖沟渠的情况下如何将电网电力传输到偏远地区?

人们越来越习惯于通过无线接口来传送能量,例如各式各样的无线耳机和电磁炉等应用。然而,这项技术究竟还能给我们带来多少便利?我们能否在不插电的情况下为汽车充电,或者在不架设电塔和挖沟渠的情况下如何将电网电力传输到偏远地区?ciSednc

无线供电主要有两种形式,第一种是通过在发射器和接收器之间形成电场或磁场来实现紧密耦合,将能量从一边传送到另一边。某些紧密耦合的功率传输方案使用电场耦合两个电极。但在更普遍的情况下,比如电磁炉、电动牙刷和手机充电器及其他产品会在发射器中产生电磁场,然后利用电磁场在附近的接收器中生成感应电流,从而为电池充电。第二种方法是辐射耦合,它将能量束(通常以高频无线电波的形式)传送到接收器,接收器经过精准设计,以便捕获尽可能多的能量。ciSednc

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1:将发射器和接收器对准效的能量传输非常重要。(图片来源Molex Ventures)ciSednc

每种方法都有其优点和局限性,而能量传输的效率和传输范围是两项最重要的考核指标。以电磁炉为例,当锅具从盘面的圆环标记中心移开时,就会立即停止加热。另外,最新的智能手机的背面嵌入了大量磁铁,以确保无线充电座与手机的接收线圈完美对齐(图1)。新型手机的充电时间对手机而言至关重要,因此哪怕投入更多的技术和成本也要确保无线充电的高效率。ciSednc

随着电动汽车(EV)无线充电标准的制定,我们看到了更多类似的挑战。Molex最近针对汽车企业的一项调查显示,36%的受访者认为到2030年无线充电将成为标准功能。手机中的充电速率一般为几十瓦。然而,电动汽车的充电速率需要达到50至250kW,才有可能替代内燃机汽车进行长途行驶。确保地面的传输线圈与汽车下方的拾波线圈对准非常重要。如果因为没有对准而造成百分之几的传输损耗,那么在充电器的传输线圈与车辆的接收器之间就会发热,从而损耗数百瓦功率。图2所示为电动汽车无线充电车道。ciSednc

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2电动汽车无线充电车道图片来源Molex VenturesciSednc

SAE International国际汽车工程师学会发布的J2954_202010标准建立了轻型插入式EV汽车无线功率传输系统的互操作性、电磁兼容性、EMF、性能、安全性和测试标准,用来解决汽车无线充电的诸多问题。该标准是为固定式充电应用而制定的,将来可能会扩展到动态应用。目前它的使用仅限于地面的充电垫,不包括嵌装的充电设备。ciSednc

SAE J2954标准还定义了帮助驾驶员将车辆与充电板对齐的方法,以确保实现高效的能量传输,它同时还定义了未来汽车进行自动充电的基础设施。但是,无线充电要想取代加油站为汽车加油的传统方式,像加油泵一样操作简单快速,就需要良好的工程设计和大量用户规范。ciSednc

迄今为止,在汽车中为手机进行无线充电可能是无线功率传输发展前景不明朗的最好例证。因为只有当手机精准放在特定位置、确保发射器和接收器线圈牢牢地对准时,才能进行无线充电。ciSednc

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3各种形式的充电垫从左到右:无线充电架,无线充电垫和无线充电杯(图片来源:Molex Ventures)ciSednc

手机用户往往比较挑剔,因此最新的智能手机外壳背部采用了强磁铁,以便轻松快速地对齐。但是,由于必须在充电垫所在的位置充电,这种无线充电仍然让人感觉很受约束。更好的用户体验是能够在指定区域的任何位置为设备充电,而无需紧密贴合精确对准充电线圈。Molex Ventures投资的初创公司Ossia就做到了这一点,他们使用类似高级Wi-Fi和5G系统中的MIMO天线阵列,即使设备不在发射器可见范围内,也可以将能量发送到设备上。ciSednc

在Ossia的方法中,功率发射器通过天线发射一个信号来与附近兼容的设备保持同步。然后,每个接收器都发回一个信标信号,表明其存在和功率需求。功率发射器测量每个信标信号的相位,并使用这一信息来确定功率发送的方向,以实现最有效的能量传输。ciSednc

这种方法适用于单天线发射器,但采用多个天线的功率发射器可以测量到达每根天线的信标信号的相位(这些相位略有差别),从而更准确地建立最有效的传输路径。然后,功率发射器可以调整每个天线的相位和功率输出,将相干能量束传送到接收器。而且这条路径不必在可见范围内——如果信标信号在从功率接收器到发射器的途中被墙壁弹回,那么功率发射器会让能量束原路返回。ciSednc

功率发射器还可以为一个区域内的多个设备进行无线充电,该区域中的每个接收器都会检测自己需要多少功率,并将此信息作为请求发送给功率发射器。然后,功率发射器比较其所有接收器的所有请求,并根据每个接收器的不同需求向其分配无线功率脉冲。ciSednc

Molex Ventures公司认为,如果能以这种方式传输能量,人们就可以重新思考为周围设备供电的各种方式了。供电方式从无线充电变为无线供电。例如,天花板烟雾报警器未来不需要使用新电池了,而扫地机器人无需充电也可继续完成清扫任务了。ciSednc

使用手机的人都知道,浏览手机可以获得任何信息,却为带宽和电池所限。在手机或汽车中利用无线能量传输似乎可以免除充电线,然而最终仍被充电器的位置所束缚(图3所示为各种形式的充电垫)。如果在指定区域内的任何地方都可以为设备无线供电,就会有新的机会,人们的行为习惯也会发生变化,就跟从固定电话发展到智能手机的情形一样。ciSednc

这种变化最终还将促进相关技术的发展,例如支持对准的传感器,或有助于大功率充电的热管理解决方案。先进的专业技术,可帮助我们实现一个联系日益紧密却不受约束的新世界。ciSednc

(原文刊登于EDN姐妹网站EETimes美国版,参考链接:How Far Can We Take Wireless Power Transfer Technology?由Jenny Liao编译。)ciSednc

本文为《电子技术设计》2021年8月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里ciSednc

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