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仪器科学与电气工程学院本科生科技学术实践“六个一”工程调研报告关于无线充电的调查研究摘要随着科技的迅速发展,推动了数码产品的突飞猛进,给人们的工作、生活带来了极大的便利。但是,大部分电子产品的充电器不具备统一性,每一个电子产品都有与之匹配的充电器,不仅浪费大量的资源,增加产品的使用成本,而且还不利于环保。有线充电绕线繁琐,且在高温、高压等特殊环境下充电极不安全。因此,具有统一标准的无线充电技术将成为未来的发展趋势之一。无论感应式充电还是微波充电,工作时都向周围辐射电磁波,附近具有敏感性的电子器件会受到干扰。此外,提高系统的传输效率也是难题之一。为了解决感应式充电技术存在的问题,做了此次调研。关键词：无线充电传输效率感应式充电1．调研主要内容、目标与方案（途径）简介（1）调研主要内容与目标主要调查研究影响无线充电技术的关键技术，包括感应式充电原理和影响无线充电传输效率参数。通过研究这些得出总体的改善其充电效率的方案。而且此次调研还包括无线充电技术的应用现状和应用前景。用毕奥萨伐尔定律理论介绍了无线充电系统的原理,在通有电流的导线周围会产生电磁场,且用磁场强度描述计算场强的大小。调查影响无线充电系统的性能参数,分别从功率损耗因数、品质因数、稱合因数、反射阻抗等几个方面进行理论参数分析,（2）调研方法调研工作将采用拜访请教、文献查阅、网络搜索等方法完成。2．调研信息来源与调研过程（1）资料查阅关于感应式无线充电的研究朱美杰硕士学位论文2.2.1无线充电的效率电池充电器的能源消耗主要取决于两个方面:待机耗电和充电效率。待机耗电通常是指充电结束后,很多人都将充电器和底座继续插在电源上,这样会产生大量的待机耗电(也就是人们常说的空载耗电)。简单计算可以得出,待机模式下的耗电量几乎等于电池充电时的耗电量。这样浪费了大量的能量,因此,我们的主要设计目标之一是最大程度地降低待机耗电。充电效率是影响耗电量的另一个因素。无线充电器与有线充电器的硬件相同(交流转直流电源适配器连同充电电子产品),但通过无线连接取代了电源适配器与手机之间的铜线。无线充电器的效率不及有线充电器的效率,但最近一些技术表明,无线连接至少能达到70%的传输效率。此外,若制造商愿意加入该项目计划,则能进一歩提高无线充电系统的效率。从有线充电器的数量、充电器的类型以及用户的使用习惯等方面讲,无线充电器的传输效率会高于或低于通常人们所使用的有线充电器。在一般情况下,一个无线充电器取代两个有线充电器,则无线充电器与有线充电器的效率基本差不多。2.2.2功率损耗因数无线充电系统受系统内部功率损耗的限制,损耗导致能量的流失,并产生热量限制最大的转化传输功率。因此,优化系统必须尽可能降低功率损耗。2.2.3品质因数品质因数Q的范围处于0至无穷大,但是一般情况下,在技术上,线圈的品质因数一般为100左右,少部分大于1000。如果品质因数小于10,则作用明显不大。这样的数值应该被视作为特定数量级。在工作频率不变的情况下,品质因数Q仅与线圈形状和大小以及所使用的材料成一阶相关。特定技术(如线绕线圈、PCB线圈)可提供特定的品质因数。2.2.4耦合因数如果接收线圈和发射线圈相隔一定的距离,那么发射线圈产生的磁通量仅有一部分能到达接收器线圈,进行能量的传输。接收线圈接收的磁通量越多,表明两个线圈之间互感系数越大,表明稱合程度越高。耦合的级别用耦合因数k表示。感应耦合式锂电池无线充电平台设计研究赵子明无线电能传输系统以可分离变压器为核心正是可分离变压器的存在,将传统电能传输的电流回路分割为两个回路,从而实现电气隔离。可分离变压器区别于普通变压器,普通变压器的一次侧绕组和二次侧绕组在空间上绕在一起,共用同一铁芯,在外部封装结构上又固为一体,所以,虽然普通变压器同样利用电磁稱合实现了一次侧和二次侧的电气隔离,但是固为一体的机械结构,使得两侧电气隔离的电路又形成了视觉直观上的同一电路系统。也就是说,负载端和电源端在机械上仍连在一起,负载端和电源端不存在相对位移。可分离变压器则改变了这一现状,一次侧绕组和二次侧绕组缠绕在各自的铁芯上,铁芯之间无相对固定位置,在电气隔离的基础上又实现了空间隔离,电源端和负载端独立为两个电路结构,实现了非接触的电能传输过程。电能是利用电磁稱合原理从可分离变压器的原边传递到副边,因此所传递的电能只能为交流电能。本文的特定负载为锂电池,需要特定大小的直流充电电流,副边所接收到的交流电能还需要经过整流滤波电路,稳压控制电路等的处理,才能供给负载使用。可分离变压器因气隙较大,导致能量传输效率低下,为提高能量输送效率,通常提高交流频率,采用高频交流电,而不再是我国市电规定的标准50Hz。这就需要在原边加装整流和逆变电路,先将市电50Hz整流为直流,再把直流逆变为需要的高频交流。可分离变压器系松稱合,漏磁通很大,导致整个电能传输系统的功率因数低下,为了提高功率因数,在可分离变压器的原、副边增设补偿电容,构成补偿电路。补偿电容容量的选择跟补偿方式也有关,依据电路的工作频率,适当选择补偿电容值,使能量传输电路工作在LC谐振状态或准谐振状态,此时,系统的功率因数最大,接近于1,传输效率最高。（2）网络搜索无线充电的发展现状与应用前景随着科学技术的发展，人类已经成功地从有线通信时代步入了无线通信时代。现在，无线充电也在以非常迅猛的态势发展，据悉，2013年无线充电的市场估值将达到140亿美元。普及无线充电的时代已经到来。无线充电目前已经有四种比较成熟的方式，电磁感应式简单、便捷，成功地为无线充电开辟了市场，近几年来，电磁感应式无线充电必定是无线充电的主流模式。但是，由电磁场自身带来的缺陷势必会限制其发展。与其它无线充电方式相比，电磁共振式建立在一个更好的理论基础上，具有效率高、距离远、无辐射、无电磁干扰的优点，符合当代人的技术追求。虽然电磁共振式无线充电对线圈的品质因数的要求极为苛刻，但随着生产工艺的提高或替代材料的发现，共振式无线充电设备也可以实现微型化、平民化。目前，电磁共振式无线充电的发展得到了以MIT为首的高校和以高通、三星为代表的商业集团的大力支持，前景十分广阔。相信在不久的将来，电——触手可及。3．国内外研究现状分析感应充电技术又称为非接触式充电,是一种适应性、安全性较高的能量传输充电方式,这种技术可以用在很多领域,如许多高校、研究所、公司都在研究这项技术。但是该技术也有缺点,能量是通过线圈间的交变磁场进行传递,能量会随稱合线圈距离的变化而变化。目前这种非接触式的充电技术在某些领域得到广泛的应用,常见的有像鼠标垫一样的充电台,利用电磁感应的原理将多个电子产品放到一个鼠标塾上同时充电,充电垫内有多个小型线圈,向不同方向产生磁场,所以不用精确定位,在电子产品上装有接收线圈,充电时,磁性材料做成的接收线圈就会产生感应电流,能量经稱合线圈直接给电子产品充电。充电垫内磁场小,对周围磁场敏感的东西如信用卡、会员卡等不会产生影响。该解决方案提供商包括英国Splashpower、美国WildCharge等公司,这种感应式无线充电传输方式的优点是结构相对简单、制造成本较低、技术可靠,但是传输功率较小、传送距离短,一般只适用于为小型便携式电子设备供电。美国德州仪器试制出了符合无线供电业界团体WPC(无线充电联盟)制定的Qi标准的非接触充电模块,并在MobileWorldCongress2012上进行了展示。并且,德州仪器还将该模块安装到平板终端的背面,展示了实际进行非接触充电的情形。美国DuracdlPowermat公司开发出了只需嵌入到现有智能手机的电池旁边,便可使终端支持非接触充电的卡片WICC:WirelessChargingCard。4、无线充电技术的应用前景无线充电技术经过数年的推广与演进后开始受到各界瞩目。其方便性可以让消费者愿意支付额外的费用购买无线充电相关产品,由于各厂商对这项技术有自己的表述,所以无线充电、感应式电力、非接触充电、无接点充电都是泛指相同的技术,距离1mm到数公里都一样是无线,供电端与受电端交互作用就称感应,所以无线充电是广义的名词没有一定的标准。无线充电技术研究的目的是,把手机作为主要研究对象的无线充电器,进行设计最适合的发送端线圈和接收端线圈,使能量传递更多,传输效率更高。该研究与手机终端制造厂的供给事业展开合作,同时采用新的安全对策提高多功能充电等电力技术的传输,并且,应用方面不仅仅局限在手机终端制造厂,而是将开发市场的目光集中在其他各种各样的电力传送事业上。感应耦合供电方式在许多领域具有特殊优势,如:环境条件相对恶劣的条件下,如水族箱中灯光和水循环系统及化学腐蚀等环境;环境相对危险的地方,可以有效防止摩擦时间过长而导致爆炸或者火灾,如地下煤矿、喷漆车间等;人体医疗领域,有些医疗器材必须在人体内部工作,如定时药剂泵、胶囊内窥镜等,采用无线供电方案可以大大延长器材的工作时间,极具实用价值;移动设备如单轨行车装置、自动运行车辆、机器移动部件等设备的供电等。如果无线充电系统大面积的运用于生活中,将给人们带来更多的便利。如无线充电系统用一个发送端就能给多个客户端同时充电,尤其对手机的用户,功率小到3-5W,很容易实现体积微型化和薄型化,不仅可以防止安全事故的发生,还满足了市场上一物多求的需求。研究无线供电法律制度等问题的日本宽频无线研讨会(BroadbandWirelessFomm)计划围绕面向数字家电产品、白色家电、电动车辆以及产业设备的应用展开了讨论,日本总务省也表示将对这类活动进行支援。鉴于无线充电技术的便捷性、可用性和安全性,也许在不久的将来,手机等大量数码产品的适配器都会截然消失,取而代之的是移动无线充电设备,给人们带来的利益不同凡响。5.可实现方案探讨（1）方案名称：感应式无线充电系统的设计与实验（2）研究内容：内容分为三部分，包括空心线圈电感及线圈的设计、电磁屏蔽的仿真及设计、感应式无线充电系统的设计与实验。（3）研究思路及方案1、设计合理的初级线圈和次级线圈无线充电技术是非接触的能量传输技术,主要由发送端和接收端两部分组成,初级线圈和次级线圈的尺寸、材料、位置等都影响着无线充电系统的传输效率。通过用三维电磁场仿真软件AnsoftHFSS进行仿真设计,当发送线圈和接收线圈为平面空心线圈且平行放置时,穿过次级线圈的磁力线最多,耦合程度较高。2、选择最合适的屏蔽体初级线圈和次级线圈之间存在缝隙,必然有一部分漏磁通,本论文提出从磁屏蔽的角度减少漏磁,增加系统的传输效率。通过对不同尺寸缝隙、厚度、形状的屏蔽体仿真,圆柱体形状的屏蔽体更适合无线充电系统。不同的系统结构传输效率也有或多或少的差距,设计合适的结构也是本论文的内容之一。最后做简单的实验装置对以上的仿真进行验证,试验结果与理论基本相似,达到系统预先设定的目标。（4）方案特色及创新点无线充电技术近些年来逐渐受到人们的重视,吸引了越来越多的研究者,其理论和应用的范围愈来愈大,由于它安全、方便、无摩擦等优点,而慢慢成为便携式数码产品技术的创新点。（5）无线充电技术未来的研究方向在无线电能发展的同时,越来越多的公司尝试利用多项技术推动专有解决方案的发展,这些技术包括电感耦合、电导耦合和无线电频率。首先,若以专有方式将无线电能推向市场,可能会妨碍消费者通过全球通用的单一解决方案来满足对各个品牌设备的各种电力需求,而这恰恰是当今有线充电技术最大的问题之一。其次,以电磁感应原理进行能量传输存在不足,如发送线圈和接收线圈必须接近完全耦合,如果有错位,传输效率就会急剧下降,因此,线圈之间实现位置的自由成为一大难题。可以排列大量的发送线圈等方法解决该问题,但是增加了系统的成本。所以实现位置的自由也是一个值得研究的问题之一。第三,无线供电技术不仅可以供电,还可以用来传输数据,也是未来的发展方向之一。例如该技术用于传输多媒体播放器、数码相机、智能手机等设备存储的数据,把便携式数码设备放在基座上,充电的同时还可以