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無線充電是指利用電磁波感應原理進行充電的設備,原理類似于變壓器。在發送和接收端各有一個線圈,發送端線圈連接有線電源產生電磁信號,接收端線圈感應發送端的電磁信號從而產生電流給電池充電。
實現無線充電技術主要通過三種方式:電磁感應式、磁場共振式、無線電波式。
1.電磁感應式無線充電:
初級線圈一定頻率的交流電,通過電磁感應在次級線圈鐘產生一定的電流,從而將能量從傳輸端轉移到接收端。目前最為常見的充電墊解決方案就采用了電磁感應,事實上,電磁感應解決方案在技術實現上并無太多神秘感,中國本土的比亞迪公司,早在2005年12月申請的非接觸感應式充電器專利,就使用了電磁感應技術。
2.磁場共振無線充電:
由能量發送裝置,和能量接收裝置組成,當兩個裝置調整到相同頻率,或者說在一個特定的頻率上共振,它們就可以交換彼此的能量,是目前正在研究的一種技術,由麻省理工學院(MIT)物理教授Marin Soljacic帶領的研究團隊利用該技術點亮了兩米外的一盞60瓦燈泡,并將其取名為WiTricity。該實驗中使用的線圈直徑達到50cm,還無法實現商用化,如果要縮小線圈尺寸,接收功率自然也會下降。
3.無線電波式無線充電:
這是發展較為成熟的技術,類似于早期使用的礦石收音機,主要有微波發射裝置和微波接收裝置組成,可以捕捉到從墻壁彈回的無線電波能量,在隨負載作出調整的同時保持穩定的直流電壓。此種方式只需一個安裝在墻身插頭的發送器,以及可以安裝在任何低電壓產品的“蚊型”接收器。
無線充電原理簡單,實作困難
無線充電的方法在實驗階段有開發出很多方法,但目前唯一有機會量產商品化為線圈感應式。線圈感應式的原理很簡單,是百年前就被發現物理現象,但過去長久以來這樣的線圈感應只運用在繞線式的變壓器中。早期就有人發現將繞線式的變壓器的將“E”型鐵心繞線后對向緊貼后接上市電就可以感應傳電,但距離略為分開后感應效果就消失,這是因為在市電60Hz下,電磁波傳遞會隨著距離增加能量快速衰退。在現今的應用中,由于裝置本身需要有外殼包裝,發射端加上接收端的外殼厚度至少從3mm起算,早期電動牙刷產品開發時就發現當距離拉開后需要將線圈上的操作頻率提高才能讓電力能傳送的更遠;在電磁波中有一個特性,就是頻率越高的電磁波可以傳送比較長的距離后能量衰減較低。后來RFID應用開始發展,主要就規劃的三個頻段LF低頻(125~135KHz)、HF高頻(13.56MHz)、UHF超高頻(860~960MHz)可以使用,而這些頻段也造就了目前無線電力系統在設計之初頻率采用的參考點。早在10年前電動牙刷的無線充電就已經上市,當時的傳送功率小、充電時間長,在現在的智能手持裝置的耗電狀況來看,當時的充電能量不敷使用所以10年來還無法實用化。但這幾年來發展出新的技術可用較高的“共振”接收效率運作方式,由于這個技術較新所以各界的說法很多,但都是有一個很重要的特性,就是接收線圈上都會有配置電容來構成一個具有頻率特性的接收天線,在特定的頻率下可以得到較大的功率移轉。這部份就跟早期的電磁感應不同,當距離拉開后依然就可以得到良好的電力傳送效果。共振的原理非常簡單,就跟鋼琴調音師一樣放不同水量的玻璃杯,在精準的調音下可以將某個玻璃杯透過共振將其振碎;但其它的文章都沒有提到,若是沒有經過專業鋼琴調音師訓練的一般人,可能永遠也調不出可以讓玻璃杯振碎的頻率!這就是原理簡單、實作困難。
無線充電原理圖
在樣的架構下從發射器的1.直流電源輸入到接收器 D.直流電源輸出應過的每一個環節都是效率損耗的要點,在電源電路中電流通過的每一個有阻抗特性的零件都會在上面損耗部份能量,這幾年材料的進步也讓無線充電的實用化大增,其中有幾樣先進零件是無線充電系統中與傳輸效率相關的,為了達到高轉換效率需要將這些零件與材料作組合運用。