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无线充电技术原理与在移动设备和电动汽车方面的应用Pb14206073乔冠儒摘要：随着科技的不断发展，生活中的电子移动设备越来越多，在不知不觉中各种理不清的线缆以及手机，平板电脑等移动终端的充电问题给我们带来了与日俱增的困扰。发展电动汽车是节能、环保和低碳经济的需求，而传统的电动汽车充电技术是采用插头和插座进行直接的接触式电能传输，这种传输方式存在很大的安全隐患而且也不方便。会有火花及触电危险，另外还存在积尘和接触损耗，机械磨损和相应的维护问题，不适用于恶劣环境和天气，可见无线供电是未来电动汽车供电技术的发展趋势。事实上，无线充电技术很快就要进入大规模的商用化，这项此前不为大众所熟悉的技术，正悄然来到我们的面前。本文将会从发展、原理、应用等方面介绍无线充电这一技术，对移动设备和电动汽车的无线充电应用加以探究，最后对该技术未来的发展方向进行讨论。引言最早的无线输电技术是尼古拉·特斯拉发明的特斯拉线圈（TeslaCoil），特斯拉线圈是一种使用共振原理运作的变压器（共振变压器），主要用来生产超高电压但低电流、高频率的交流电力。特斯拉线圈由两组（有时用三组）耦合的共振电路组成。尼古拉·特斯拉试行了大量的各种线圈的配置，特斯拉利用这些线圈进行创新实验，如电气照明，荧光光谱，X射线，高频率的交流电流现象，电疗和无线电能传输，发射、接收无线电电信号。原理为把一个线圈连接在电源上，作为发射器传输能量；另一个线圈连着灯泡，作为能量接收器。通电后，发射器能够以10兆赫兹的频率振动，另一个线圈连着的灯泡将被点亮。后来，特斯拉试图利用地球本身和大气电离层为谐振电容来实现无线输电，为此在纽约长岛建造了一个29米高的发射塔（沃登克里弗塔）,但值得一提的是：由于摩根觉得此行为与自己利益毫无关系决定撤资，实验工地的设备也被法院没收充当抵押，沃登克里弗塔被拆除。这个在当时因为经济，技术，实用性的问题搁浅的伟大发明，在100年后的今天却成为了触手可及的生活方式，也成为了前沿的技术领域主要研究方向。无线充电技术的原理目前无线充电技术主要有四种原理：第一类是通过电磁感应“磁耦合”进行短程传输，它的特点是传输距离短、使用位置相对固定，但是能量效率较高、技术简单，很适合作为无线充电技术使用。第二类是将电能以电磁波“射频”或非辐射性谐振“磁共振”等形式传输，它具有较高的效率和非常好的灵活性，是目前业内的开发重点。第三类是“电场耦合”方式，它具有体积小、发热低和高效率的优势。第四类则是将电能以微波的形式无线传送发射到远端的接收天线，然后通过整流、调制等处理后使用。1.电磁感应式：电磁感应式无线电能传输（electro-magneticInductionContactlessPowerTransmission,ICPT)是基于电磁感应原理。电磁感应技术是目前比较普遍的无线充电技术。现在广泛应用的变压器由一个磁芯和二个线圈(初级线圈、次级线圈)组成；当初级线圈两端加上一个交变电压时，磁芯中就会产生一个交变磁场，从而在次级线圈上感应一个相同频率的交流电压，电能就从输入电路传输至输出电路。如果将发射端的线圈和接收端的线圈放在两个分离的设备中，当电能输入到发射端线圈时，就会产生一个磁场，磁场感应到接收端的线圈、就产生了电流，这样就构建了一套无线电能传输系统。利用原、副边分离的变压器，在较近距离条件下进行无线电能传输。ICPT的传输功率大，能达几百kW。电磁感应式输电缺陷在于，磁场随着距离的增加快速减弱，一般只能在数毫米至10厘米的范围内工作，加上能量是朝着四面八方发散式的，因此感应电流远远小于输入电流，能源效率并不高。电磁感应式无线电能传输示意图2.电磁共振式：电磁共振式电能传输技术（Electro-magneticResonantPowerTransmission,ERPT)主要是接受天线固有频率和发射场电磁频率相一致时引起电磁共振，发生强电磁耦合的工作原理来实现电能的高效传输。与电磁感应方式相比，磁共振技术在距离上就有了一定的宽容度，该技术使得非接触变压器绕组间错位的敏感度减小。它可以支持数厘米至数米的无线充电，使用上更加灵活。磁共振同样要使用两个规格完全匹配的线圈，一个线圈通电后产生磁场，另一个线圈因此共振、产生的电流就可以点亮灯泡或者给设备充电。除了距离较远外，磁共振方式还可以同时对多个设备进行充电，并且对设备的位置并没有严格的限制，使用灵活度在各项技术中居于榜首。在传输效率方面，磁共振方式可以达到40%～60%。电磁共振式电能传输示意图3.电场耦合（电容耦合）式：电容耦合非接触电能传输系统(capacitivelycoupledpowertransfersystem,CPT)是一种利用电场耦合效应构建的无电气接触的电能传输系统。系统通过在两对金属板上施加交变电压,从而在板间形成交变感应电场,根据电场原理,金属板间将形成位移电流,从而实现电能在两对非接触金属板间的传递。传统基于高频磁场耦合的电能传输方式会被环境中一些电阻率较小的金属导体所屏蔽,并引起较大的涡流损耗。因此,基于磁场耦合的非接触电能传输技术在具有金属环境里应用受到了极大的限制。相对而言,电场耦合存在一定优势,除了能穿透金属导体,减小能量损耗外,还具有良好的抗磁场干扰能力,强抗干扰性使得器件可以在饱和或密集磁场环境下工作。电场耦合式电能传输示意图4.微波谐振式微波电能传输（MicrowavePowerTransmission,MPT)就是以微波(频率在300MHz-300GHz之间的电磁波)为载体在自由空间无线传输电磁能量的技术。这项技术采用微波作为能量的传递信号，接收方接受到能量波以后，再经过共振电路和整流电路将其还原为设备可用的直流电。这种方式就相当于我们常用的Wi-Fi无线网络，发收双方都各自拥有一个专门的天线，所不同的是，这一次传递的不是信号而是电能量。微波传输能量的能力非常强大，我们家庭中的微波炉即是用到它的热效应。其位置高度灵活，只要将设备放在充电设备附近即可，对位置的要求很低，是最符合自然的一种充电方式。但微波传输也有较大缺点。MPT技术适合应用于大范围、长距离、且不易受环境影响的电能传输场合，主要应用于空间太阳能电站、低轨道和同步轨道卫星供电等。但由于工作频率高，传输效率低。DCACRFPower远距离传输方向性好PowerDCACRF发射天线接收天线微波电能输送示意图无线充电在移动终端的应用1.无接点充电插座苹果公司、摩托罗拉公司、LG以及Panasonic都在开发各自的无线充电器。而对用于手机的无接点充电器而言，只要在充电座和手机中安装发射和接收电能的线圈，便可实现无接点充电——这不仅将摆脱线缆的束缚而且还将消除接口差异的限制，因此无线充电器设计更加人性化并且减少资源浪费。比如电动牙刷难免经常接触到水，采用无接点充电方式，可使得充电接触点不暴露在外，增强了产品的防水性，利于整体水洗、清洁方便。在充电插座和牙刷中各有一个线圈，当牙刷放在充电座上时就有磁耦合作用，利用电磁感应的原理来传送电力，感应电压整流后就可对牙刷内部的充电电池充电。2.多功能家用电器无线供电“膜片”膜片即用一片图书大小的柔软塑料膜片就可对家电进行无线供电—该特制塑料膜上面印刷有半导体感应线圈，可以贴在桌子、地板、墙壁上，可为圣诞树上的LED、装饰灯、鱼缸水中的灯泡或小型电机供电。使用前电器需要装上可接收电能的感应线圈，然后放到相应位置即可得到无线供电。这种薄膜电源由四层塑料薄膜组成，从下到上依次是电导可控的有机晶体管，感测兼容电子设备接近的铜线圈、接通或断开电源的MEMS开关、传送电能的铜线圈。当电器进入薄膜2.5cm范围内，最靠近的MEMS开关接通电源，电感线圈就利用电磁感应向设备供电。该无线供电膜片将自行判断电器所在位置，在居室空间的较大范围内可随意放置。在无电源线的吸尘器、笔记本电脑以及家用机器人等的应用方面有广阔前景。3.通用型无线供电“垫”充电板的外观像一个鼠标垫，能够放置在桌椅等任何平坦表面，可提供高达90W的功率，足以同时为多数笔记本电脑以及各种小型设备充电。这种“无线电池充电平台”，可将数个电子产品放在一个充电平台上充电，充电时间与传统充电器无异。便携终端安装有电能接收器即可放到上面充电。无线充电技术在电动汽车领域的应用由于零排放、技术相对成熟、经济性较好，由蓄电池供电的纯电动汽车(ElectricVehicle,EV)成为各国政府鼓励、各汽车生产商大力发展的环保车型。受动力电池容量的限制，目前EV的续驶里程较短，电池充电站的建设成为制约EV应用、发展的最大瓶颈。动力电池的电气充电方法包括接触式充电和无线充电。接触式充电采用插头与插座的金属接触来导电；无线充电或称无线供电(WirelessPowerTransmission,WPT)是以耦合的电磁场为媒介实现电能传递。对于EV用WPT，即将变压器原、副边绕组分置于车外和车内，通过高频磁场的耦合传输电能。国外对EV用WPT技术的研究已经取得了较好的成果。图示为电网供电无线充电器的结构示意图，包括PFC变换器、逆变器、非接触变压器、非接触反馈和接收电路等部分。无线充电器的结构示意图利用无线充电原理，对电动汽车充电，汽车的车底到地面一般有15cm左右的距离。如果在车底安装受电线圈，在自家停车场的地面埋入供电线圈，便可在停车时充电。能够省去连接充电线缆的麻烦。磁共振方式不同于电磁感应方式，无需使线圈间的位臵完全吻合。即使停车位臵与固定位臵稍微错开，线圈之间也会共振。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。随着研究的推进，将来或许能进一步扩大容许范围。另外，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。理想无线电动汽车供电示意图电动汽车无线供电展望：目前EV无线充电器中电路拓扑、控制技术研究上已有较好的成果和积累，非接触变压器成为制约EV用WPT系统高效能量传递的主要瓶颈。要想获得突破，一是基于传统的感应式WPT技术，研究有限尺寸下提高变压器耦合系数的有效策略，并解决移动充电系统中的“磁通分布不均”问题，从而提高系统电能转换效率；二是探索电磁共振式WPT技术，研究其数学模型、控制特性及优化方法，研究EV用大功率、低频化共振式WPT的设计技术。结束语曾经人类遥不可及，认为是天方夜谭的无线充电，电力传输技术如今已经变为现实，虽然原理简单，但是要实现无线充电步入我们的现实生活，还需要技术的不断进步与成熟。比如，现代家庭充斥着各式各样的电线、插座，无线输电技术让人看到了摆脱这些烦恼的希望。尽管如此，由于电力传输效率不够，应用范围还没有涉及到需要大电力的手机。而且在安全方面也存在效率低导致发热量大的问题，无线电能传输技术还需改进，才能走进老百姓家中。同时普及条件有待形成，简单便携的无线充电设备需要无线充电的功能区尽量节省空间，同时要节约成本，方便使用。有比较成熟的国际化统一标准，让无线充电成为我们日常生活的一部分。开发、推广汽车代用燃料和电动汽车，降低燃料消耗，对缓解我国环境污染、保障能源安全和供给以及国家可持续发展具有重要的战略意义。而电动汽车的普及也依赖于无线充电等相应的保障技术不断完善，才能在汽车的市场竞争中不断提高自己的竞争力。总之无线充电技术的完善还有很长的路要走，需要我们的共同努力，不断推动科学技术的进步。参考文献：1.百度百科特斯拉线圈2.百度百科无线充电技术3.傅文珍张波无线电能传输4.佚名无线电力传输技术5王任，曲卫迎.无线充电技术及其在电动汽车上的应用初探[J].科技创新导报，2010，（29596毛钧杰.微波技术与天线[M].北京：科学出版社，2006．