无线供电解决方案-电力解决方案.doc
无线供电解决方案 -电力解决方案 无线输电技术一直是人们关心的课题,早在上世纪初, Nicola Tesla 就进行过远距离无线输电的实验研究,虽然该项计划因资金等原因中途夭折,然而,远距离无线输电技术一直在进行着。特别是近年来,便携式电子产品大量涌现,以及传感器无线网络技术与 MEMS 器件的发展,推动了无线供电与无线网络技术的研发,并在理论研究和实用化技术方面取得了初步的成果。下面将简要地介绍该项工作所采用的方案和各种产品。 电磁波方案 电磁波,俗称无线电波是人们非常熟悉的一个概念。正是由于它的发现,才奠定了广播、电视和现代通信技术的基础。电磁波不仅能传输信号,它也能传输电能。美国一家公司 Power Cast 开发了这项技术,可为各种电子产品充电或供电,包括耗电量相对较低的电子产品,诸如手机、 MP3 随身听、温度传感器、助听器,甚至汽车零部件和医疗仪器。整个系统基本上包含了两个部件,称为 Power Caster 的发射器模块和称为 Powerharvester 的接收器模块,前者可插入在插座上,后者则嵌入在电子产品上 (图 1)。发送器发射安全的低频 电磁波,接收器接收发射频率的电磁波,据称约有 70%的电磁信号能量转换为直流电能。该项技术之所以会得到多家厂商的青睐,原因在于它独特的电磁波接收装置,能够根据不同的负载、电场强度来作调整,以维持稳定的直流电压。 图 1 Powercast 系统图 图 2 变压器示意图 磁耦合方案 电磁感应是一项基本原理,交流电源中一个重要部件变压器就是利用它工作的,变压器由一个磁芯和二个线圈,即初级线圈与次级线圈组成。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。对图 2 所示的变压器基本电路,两个端口的电压降可表示为: V1=jwL1I1-jwMI2 Y2=jwMI1-jwL2I2=ZLI2 式中 L1、 L2 和 M 分别为初级电感、次级电感与互感, ZL 是负载电阻。初、次级间耦合 度可用耦合系数 K 来定义: K=M/ 耦合系数反映了变压器的优值,对于一个近似于理想的变压器,可简单表示为: V1/V2≈ L1/L2≈ N1/N2 式中 N1 与 N2 分别是两个电感的匝数,就是所说的电压比等于匝数比。 对于无线供电或充电的装置而言,其初级线圈与次级线圈处于两个分离的各自部件中,因而线圈间的耦合是比较松散的。最早使用电磁感应原理的是电动牙刷。电动牙刷经常接触水,不采用直接充电方案,在充电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,类似一个变压器,感应电压整 流后就可对镍镉电池充电,整个电路消耗功率约 3W。整套装置的示意图如图 3。 图 3 电动牙刷 图 4 塑料薄膜电源 日本东京大学的教授们设计了一种塑料薄膜电源 (图 4),很有创意,用途也十分广泛。例如,可将它铺在地板上或桌子上,或嵌入在墙壁上,为圣诞树上发光二极管、装饰灯供电,为鱼缸水中灯泡或小型电机供电。薄膜电源由四层塑料薄膜组成,最低一层是电导可控的有机晶体 管,上面是感测兼容电子设备接近的铜线圈,再上面是接通或关闭电源的 MEMS 开关,最上面一层是传送电能的铜线圈。制作工艺采用了丝网印刷和类似于喷墨打印的新工艺。它的工作过程是这样的;当物体处于薄膜 2.5cm 范围内时,最靠近的 MEMS 开关接通电源,电感线圈就利用感应原理向设备供电。据称,该项技术的效率是很高的,电源传输效率可达 81.4%。目标的价位每平方米约 100 美元。 英国一家公司 Splash power 推出一款利用电磁感应原理的手持式设备无线充电器。主机 Splash Pad 是一个经久耐用、鼠标垫大小充电 座,另一个部件是安置在 PDA 或手机内的 Splash Module。图 5 是它的原理图。当设备放置在 Splash Pad上时, Splash Module有效地从充电器吸收能量,为设备中的电池充电。 Splash Module 可按产生的电功率要求、空间大小和形状定制,直接整合在设备中,或作为一个附件使用。它的优点是: 图 5 Splashpower 系统示意图 高效率接收器,符合设备充电协议。 实时、合理的检测器,防止充电器误用。 自动处于低功率状态,符合欧洲 EnergyStar 准则。 可缩放的磁芯体拓扑,支持目前的和未来的产品市场。 电磁感应还被用来为 MEMS 器件供电。 MEMS 器件,尤其是内置执行器的微型器件对电源有特殊要求,这里无线供电就显示出它的优越性,没有物理限制,高电压和 高功率可能性。实验采用类似于铁氧体变压器结构形式,初级线圈绕在磁芯上,次级级圈则制作在硅片上,由于次级线圈是分离的,磁芯一臂留有空隙,以便芯片放置在其中。变压器的具体参数列于表 1。 上面已提 及,变压器的耦合系数是个重要参数,其效率直接与它有关。就目前这种结构而言,效率肯定要打折扣。为了提高优值,初级线圈的绕制方法十分关键。图 6 列举了三种绕制方法,初级绕在磁芯的主臂上,初级绕在磁芯副臂的一侧,初级分别绕制在磁芯空隙的两侧。图 6 下面示出了三种绕制方法的实测耦合系数,可以看出,第三种绕制方法有较高的效率。实际使用 2mm 空隙,效率可达 80%。芯片上的寄生电容限制了变压器工作频率在几个 MHz,产生的电压可达223.4Vpp,功率达 4.5Wrms。 图 6 三种绕制方法及其相应的耦合系数 非辐射性谐振磁耦合方案 麻省理工学院 (MIT)以 Marin Solijacic 为首 的研究团队首次演示了灯泡的无线供电技术,他们从 6 英尺的距离成功地点亮了一个 60W 灯泡。这个实验立即引起了人们的极大关注并进行了广泛的报道。演示装置包括直径为 3 英尺的匹配铜线圈,以及与电源相连的工作频率在兆赫范围的传输线圈。接收线圈在非辐射性磁场内部发生谐振,并以相同的频率振荡,然后有效地利用磁感应来点亮灯泡。他们还发现,既使两个谐振线圈间有障碍物存在时,也能让灯泡继续发光。 这项称为 Witricity 的无线供电技术,关键在于非辐射性磁耦合的使用,两个相同频率的谐振物体产生很强的相互耦合。普通的磁耦合被 用于短距离范围,它要求被供电或充电的设备非常靠近感应线圈,因为磁场能量会随距离的增加而迅速衰减,因而在传统的磁感应中,距离只能通过增强磁场强度来增加。与此不同, Witricity 使用匹配的谐振天线,可使磁耦合在几英尺的距离内发生,而不需要增强磁场强度。电磁波无线功率传输虽然有较长的传输距离,但传输的功率只有几微瓦到几毫瓦。该团队在成功地点亮灯泡后,准备通过设计一个装置来演示以无线方式对笔记本电脑进行供电 (图 7)。电能通过导线 1 输送至 10MHz 谐振线圈天线 2,“能量尾巴” 3 到达 6.5 英尺外的接收线圈,接收线圈 4 以相同频率谐振,接收的电能经耦合匹配,整流后供笔记本电脑使用。来传输电能 5 驻留在谐振场中,不像辐射电磁波将很多电能浪费在辐射空间中。 图 7 Witricity 无线供电装置示意图 MIT 研究人员认为,他们发现的是一种全新的无线供电方法,非辐射电磁能谐振隧道效应。 例如在微波波段,一个号角波导产生一个衰减 (Evanescent)电磁波,倘若接收波导支持相应效率的电磁波模式,即衰减场传播波模式,能量就从一个媒体以隧道方式传输至另一个媒体。换句话说,衰减波耦合是隧道效应在电磁场中的具体体现。在本质上,这个过程与量子隧道效应相同,只是电磁波替代了量子力学中的波函数。这个方法也称为共振感应耦合,以区别于普通电磁感应耦合,它使用单层线圈,两端放置一个平板电容器,共同组成谐振回路,减少能量的浪费。 当然,也有研究人员认为, MIT 的实验可用电磁波近距离 (在波长的范围内 )辐射原 理来解释,此前已有类似的技术,比如无源 RFID 标签。谐振耦合虽能增加传输距离,但因增加了一个电容器,从而也增加了体积。此外,谐振回路有一个重要参数品质因子,高品质因子表明谐振时能量损耗少,另一方面,高品质因子意味着谐振带宽窄,会带来系统设计的难度。除了上述因素,还要考虑: 安全性:人们佩带的金属质项圈、项链等也是一个环形线圈,在某些场合若形成谐振回路会影响系统工作,也存在一些不安全因素。 串扰:串扰是同一个场所内各种电磁波间不希望有的耦合。这个问题是现实存在的,应予以关注和解决。 效率:线 圈之间的耦合有极强的方向性。平行时耦合强,垂直时几乎没有耦合,被供电设备的放置会对效率有很大影响。 结语 本文简要地介绍了无线供电的几种常用方案以及相关的一些产品。在所涉及的方案中, MIT 研究人员进行的实验以及他们所论述的原理引起了人们极大的关注。人们期待无线供电技术有新的突破,就目前情况而论,该项技术还处于探索阶段,虽然已有一些初级产品,在实用化、普及化之前,还有大量的工作要做,存在的问题也有待解决。