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无线电源 你知道那种技术最好?

随着成熟技术与新方法的结合,无线电能市场不断变化。旧标准之争已经有所缓和,但竞争信息仍然存在。
公众最终使用什么将在很大程度上取决于公共充电基础设施,但风险很大。预计到 2022 年,电池充电器市场将达到 $25B。这些充电器中的大多数都可以插入墙上,但随着无线充电变得越来越可用,随着时间的推移,它可能会占据充电市场的更大份额——超过$5B未来几年。不再需要摆弄有线充电器的前景为消费者和其他工业市场带来了更大的便利。
目前有两种主要的无线充电方法。一种称为 Qi(发音为 chee),在大约 100 到 300kHz 之间运行。另一个是 Airfuel,以 6.78 MHz 运行。几年前,他们为消费者市场展开竞争,但苹果通过与 Qi 合作为 iPhone 无线充电解决了争论。尽管如此,Airfuel 仍将自己定位为明显的继承者,即使其他充电技术在后台悄悄开发。
Qi 由无线电力联盟 (WPC) 管理。Airfuel 的历史更为复杂。过去有两个“共鸣”标准——Power Matters Alliance (PMA) 及其 PowerMat 标准,以及无线电源联盟 (A4WP) 及其 Rezence 标准。战斗激烈,最终,PMA 和 A4WP 走到了一起。结果是Airfuel,并且管理机构成为Airfuel联盟。
电感耦合和谐振
当今成熟的无线充电器使用磁感应通过空气传输电力。流过充电器(“发射器”)中的线圈的振荡电流会建立一个磁场,该磁场可以被正在充电的设备(“接收器”)中的另一个线圈检测到。转移的磁能可以变成电流,然后发送到电池。
这有两个重要方面。一是与磁场耦合的能力。第二个是有效地将磁能转化为电能的能力。最后一部分很容易打折扣,但这正是大部分挑战所在。
早期的无线充电方法完全依赖于一个线圈与另一个线圈磁耦合的能力。这称为“感应充电”。它有时被定位为与另一种方法形成对比,称为“共振充电”。但事实上,两者是可以合作的。
共振是指两个物体通过以自然共振频率振荡而交换能量的能力。能量传输在这样的频率附近会更有效,但这取决于充电器和目标设备之间的距离。
这个距离就是“磁耦合”的概念。充电器和目标都有线圈,它们的磁场可以相互强烈地相互作用。对于紧密耦合的系统,两个线圈非常靠近,因此两个线圈都能强烈感受到磁场。
无线电源市场升温 到底哪种技术才是最好的?

图 1:紧密耦合的感应充电。资料来源:NuCurrent
在这种安排下,共振仍然可以发挥作用。接收器需要有一个明确的共振频率,WPC 的主席兼联合创始人 Menno Treffers 说,如果将发射器和接收器靠近在一起,效率和功率传输的最佳操作不是在谐振频率,而是略微偏离。并且您移得越远,您必须越接近谐振频率以使传输最佳。不可能在接收器的精确共振频率下工作,因为它们开始相互争斗。
随着线圈的距离越来越远,我们进入了通常称为“谐振”充电的领域,其中谐振元件占主导地位。磁场看起来类似于感应版本,但与两个线圈相交的磁场线较少。

                           图 2:松耦合谐振充电。资料来源:NuCurrent
“感应”和“谐振”这两个名称通常用于描述两种不同类型的系统——紧密耦合和松散耦合。实际上,这两个系统都在一定程度上依赖共振,因此术语并不完全准确。
当紧密耦合是主要机制时,两个线圈必须大小相同。因为很多被充电的设备都很小,比如电动牙刷,充电线圈也必须很小。对于较小的线圈,磁场的范围受到更多限制,从而限制了两个线圈可以相距多远并仍然有效地传输功率。更大的距离是可能的,但线圈需要更大才能工作。目前,紧密耦合的线圈之间必须在几毫米之内。

                     图 3:紧密耦合的线圈,具有相同的尺寸和小的“z”距离。资料来源:WPC
对于所谓的谐振充电,耦合不再是主要机制,因此充电线圈可以大于接收线圈。当将手机或其他设备靠近充电器时,这允许更大的空间灵活性。其含义之一是希望将发射器放置在柜台或桌面下方,而接收器只需放置在其上方的柜台上进行充电。

               图 4:松散耦合的线圈,具有不同的线圈尺寸(左)和更大的“z”距离。资料来源:WPC
扩大放置灵活性的一种方法——即使对于紧密耦合——是将多个线圈排列成一个阵列甚至重叠。然后,充电系统会找出哪个线圈最靠近目标设备,从而为该线圈供电。
更好的发射器也使用线圈阵列,特雷弗斯说,汽车充电器使用线圈阵列。阵列为您提供几乎无限的区域,具体取决于您放入的线圈数量。

                          图 5:具有多个重叠线圈的示例系统。资料来源:WPC
可以在这样的设置上为多个设备充电,尽管这对感应系统来说更具挑战性,因为多个通电线圈也可以相互耦合。但这种情况正在改变。有些充电器可以为多部手机充电,NuCurrent 工程副总裁 Jim Crnkovic 说,它们本质上是一个设备中内置的多个 Qi 发射器。其中一些产品拥有多项 Qi 认证。
厨房和助听器
WPC 还致力于制定名为 Ki 的更高功率的家用频率新标准,从而实现他们所谓的无线厨房。Ki 正在开发用于可接收高达 2.2 kW 功率的基于感应的炉灶面和电器的整个生态系统,Harmon 说。
这使用与感应炉灶相同类型的感应线圈。它可以作为现有电磁灶的升级而添加,特雷弗斯说,由于线圈更大,磁场可以传播更远的距离,从而在厨房台面上形成可以为电器供电的区域。
这更多的是为设备供电而不是为电池充电。搅拌机和咖啡机等电器可以用匹配的 Ki 线圈而不是插头来制造,然后可以通过将它们放在发射线圈上方来供电。
正在启动的另一个标准流程称为 WattUp,它由 Energous(发音为 enerjuss)通过 Airfuel Alliance 推动。这项工作刚刚宣布,Airfuel Alliance 正在征求该领域其他公司的参与。这种方法通过使用射频能量提供了进行功率传输的第三种方式。
Energous 已经在这个领域有产品,它选择了 915 MHz(一个 ISM 频段)作为充电频率。这些产品可以在近距离(所谓的近场)和更远的距离(中场或远场)运行。
Energous 声称能够在近场以更高的功率水平充电,最高可达 40W 左右,而 Qi 迄今为止的最大功率为 15W。因为它不涉及耦合线圈,所以不需要平坦的表面或任何特定的形状。这使得它对耳塞或助听器等形状不规则的物品特别有吸引力。
Energous 声称,通过可应用于各种设备的更通用的方法,它可以减少不同形状和型号设备的零件数量。它还应该提供一种从接触式充电器到远场充电的单一方法 – 使用弹簧针,这意味着它们不是无线的。
在创建这些系统时,此类形状可能会引起设计人员的关注,但 RF 模拟器可以适应任何形状。有限元方法的美妙之处在于它可以处理这些任意形状的物体, Ansys应用工程师阚天泽说。
RF 充电的其他好处包括能够使用一个发射器轻松为多个接收器充电,以及接收更高频率所需的天线尺寸更小。
健康问题
RF 充电的注意事项是安全。对于此类辐射类型的设备,世界各地都必须遵守严格的规定,美国 FCC 规定的所谓第 15 部分将功率限制为 4W 的有效各向同性辐射功率 (EIRP),最大传导功率为发射功率1W。由于过于局限,Energous 希望与涵盖 ISM 频段的第 18 部分合作。
我们必须在现有规则中找到一个 FCC 同意的定义是可以接受的,Energous 的首席执行官 Stephen Rizzone 说。
重点是人类吸收的功率,特定吸收率”或 SAR。1 米处的限制为 1.6 W/kG。SAR 测量中的 kG 与吸收能量的材料有关,就人而言,就是他们的皮肤。Rizzone 说,我们同意 FCC 将接受功率限制在相当于一个波长范围内的传输,或大约 0.3m。
这已经略有演变。对于我们第 18 部分批准的第一个发射器,FCC 使用 [一个波长] 作为参考距离,用于接收器周围的能量滚降,从发射器到接收器的最大距离为 1 m,Cesar Johnston 说,目前,FCC 正在根据第 18 部分批准最远 1 m 的无线电力传输。
RF 充电也与使用 RF 进行能量收集密切相关。主要区别似乎在于,RF 充电使用特定频率以保证充电,而接收器可以只专注于该频率。收获通常意味着清除环境信号以获取可以从中收集到的任何信息。这可能需要使用更宽频带的接收器来访问更多频率,而这会降低效率。Energous 将有意的 RF 充电方法称为“主动”,而能量收集是“被动”。
频率和效率
对于更高频率的方法,主要挑战是将传输的能量转换为电能的效率。从历史上看,大部分能量都在硅基电子产品中丢失了。“电力电子设备必须在这些频率下高效,”Airfuel Alliance 总裁 Sanjay Gupta 说。“您可以通过空气进行良好的传输,但如果将其作为热量在半导体中燃烧,那就不好了。” 他补充说,因此,“五到七年前用于消费电子产品的功率半导体的最先进技术是千赫兹。”
据 Airfuel Alliance 称,氮化镓(GaN) 是一种宽带隙半导体材料,它的出现使传输功率的高效处理成为可能。过去的技术有利于低频方法。GaN 开辟了更高的频率。
Energous 将 GaAs 视为除 GaN 之外的一项重要技术。虽然 GaN 在发射器中占有一席之地,但其在接收侧(使用 GaAs)整流的价值仍不清楚。GaN 仍处于早期阶段,我们必须找到最佳方式将其融入我们的工作中,Johnston 说,从功率放大器的角度来看,它非常适合,但作为一种整流技术,它仍然存在一些挑战。GaAs 技术有更好的二极管。
对于哪种频率最有效,意见不一。WPC 和 Airfuel Alliance 都可以指出对各自技术给予良好评价的论文。WPC 资助了一篇论文,让 Qi 获得了效率优势。根据该论文的摘要,该方法估计 110-205kHz 系统在一个充电周期内的能量传输效率为 59.2%,而在谐振中运行的 6.78MHz 系统为 39.8%。 与此同时,Airfuel Alliance 与犹他州立大学共同撰写了一份报告,报告称某些设备的 Airfuel 效率高达 70%。
在测量效率时,各方都同意测量整个系统很重要,而不仅仅是线圈到线圈的效率。设计工作必须同时考虑领域和电子产品。Ansys 应用工程经理 Mark Solveson 表示:“我们在电磁学和电力电子学两方面都开展工作。我们认为能够同时模拟这两个系统非常重要。
更高效的电子设备会产生热量,但不会消除热量。Kan 指出,在设计过程中必须考虑到热量,尤其是在较高频率下。更高的开关频率可以让我们获得更高的功率密度,从物理上减小尺寸,随着功率密度的增加和占地面积的减少,这可能会带来散热问题。
一般来说,在较低频率下实现更高效率更容易。系统中导体的电阻会随着频率的升高而增加,从而增加损耗,Crnkovic 说。他将增加抵抗力的主要原因归咎于“趋肤效应”。随着频率升高,电流集中在导线表面。在绞合线中,这可能意味着内部股线可能传导很少或不传导电流。
这可以通过使用“利兹”线来帮助,它使每根线绝缘,以防止电流迁移到线外。趋肤效应仍然适用于单个股线,但不适用于整个束。利兹线通常适用于 2 MHz 左右,因此它对 Qi 频率有益——但不适用于 AirFuel 频率——或 NFC,Crnkovic 说。
这可以更容易地实现低频大功率设备,但这不是一个规则。Energous 声称在 915MHz 下提供 40W 功率,而 Qi 在 100kHz 范围内提供 15W 功率。
也有来自齐国干涉的传闻。任何此类充电器都会产生泛音,理论上,Qi 可能会对无线电或电视频段产生干扰。在标准之争中相对中立的 NuCurrent 不知道这个特殊问题。但该公司表示,在某些情况下,它会干扰某些以相同频率运行的汽车的被动钥匙输入功能,并可能导致车门无意中解锁。
由于 Airfuel 处于 ISM 频段,因此许多谐波也最终位于该频段内。值得注意的是,第一次谐波是在 13. 76MHz,NFC 运行的地方。虽然 ISM 频段对 EMI 的监管较少,但设备仍然需要与使用该部分频谱的其他设备良好配合,因此干扰不容忽视。
在 ISM 频段内运行必须遵循一些规则,在这些频段中运行的所有产品都必须符合这些规则,Airfuel 的 Gupta 说,这些不像授权频段那样严格。但是在这些频率下运行的设备可能会受到在这些频段上运行的其他设备的干扰。
干扰是系统设计过程中必须考虑的众多方面之一。我们有能力处理 EMI 和 EMC 分析,包括传导性和辐射性,Kan 指出。
通信
无线充电还需要一个用于控制过程的通信通道。这允许发射器和接收器使用握手来开始和结束过程以及可能需要调整充电过程的任何条件(例如过热)进行通信。
Qi 使用带内方案进行此通信,调制充电波形。Airfuel 和 Energous 都使用蓝牙低功耗,而 Ki 使用近场通信 (NFC)。NuCurrent 有一个专有的带内通信实现,乍一看似乎是一个问题。选择 Airfuel 的 6.78MHz 工作频率是因为它是最低的 ISM 频段频率。从字面上看,这意味着用信号对其进行调制会增加一个超出 ISM 范围的下边带。但是,正如 NuCurrent 所解释的那样,它是一个 30kHz 宽的完整频段,留有足够的空间来运行信号。
NuCurrent 的高级现场应用工程师 Jason Luzinski 以 Ki 为例说明了通信如何工作。你可以将厨房用具放在充电器上,他说,我们从 NFC 通信开始,以确保高功率设备的正确对齐和身份验证。然后我们开始千瓦范围内的实际功率传输。然后在过零时,我们通过 NFC 提供所有电源信息以控制设备。
公共基础设施
被吹捧为无线充电的主要场景之一是能够去咖啡店,将手机放在桌子或柜台上,并在您喝咖啡时为其充电。Qi 已经有一些安装。你可以去芝加哥的麦当劳,那里有 50 个 Qi 充电器,Harmon 说。
虽然 Qi 过去依赖于底座,但较新的 Qi 实现允许像垫子一样充电。在实践中,没有人会在将手机正确地放在充电器上并使其工作方面遇到问题,特雷弗斯说。
尽管如此,特雷弗斯说咖啡店并不是真正的目标。人们在喝咖啡时会使用手机,他说,所以它不是基础设施的主要应用程序。它在床边,但也在客厅和办公室。
其他无线充电方法
虽然感应、谐振和射频是无线充电的主要方法,但其他充电机制正在探索中。它们包括以下内容:
电容。这涉及电场而不是磁场,它需要两个板来创建一个完整的电路。这里的挑战是需要非常高的电压,因此很难实现随意使用。在 10 英寸范围内实现了高达 250W 的功率。
机电或超声波。从字面上看,这涉及发送声音,产生可以转换为电能的振动。接收器必须精确对准才能有效地转换波束形成的声学信号。它在 4m 范围内实现了 1.5W。
激光。这样做的好处是它是集中的,因此能量不会像辐射 RF 信号那样随距离消散。挑战在于,低至 1mW 的功率就会造成伤害。已报告 2W 跨 16 英尺,但效率低。
电动汽车。这些也正在转向无线方法。与汽油发动机相比,其目的是为电动汽车提供更好的加油选择。一项新标准 SAE J2954 将于今年针对此应用发布。它是一种工作频率为 85 kHz 的电感谐振方法。主要目标是固定充电,尽管有人讨论了拥有可以动态运行的基础设施,并在车辆行驶时为车辆充电。
结语
当今行业的状态是,Qi 凭借其早期的起步和建立的基础而占据主导地位。空气燃料主要用于专有装置。6.78MHz 设计有助于解决您无法在 Qi 垫上充电的时髦外形——鞋子、弯曲的物体——通常这些公司往往想要控制自己的生态系统,Luzinski 说。
标准之战还没有完全结束。Airfuel 被定位为 Qi 的明显继承人,但 WPC 并不这么认为。RF 也加入了竞争,尽管现在判断其潜在成功还为时过早。而所有其他方法距离挑战当今任何主要参与者还有很长的路要走。
但是,无论标准和方法如何变化,无线充电似乎都在上升。在过去的五年里,我看到业界出现了很多无线充电产品,菅直人说,而且未来可能还会越来越多。

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