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令人期待的无线电力传输及其发展
2012-03-14 10:09:00
〖发布日期:2012-03-14〗〖作者:〗
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能量星球!无线电力传输技术走进现实

                            ————特斯拉的梦想

   泡泡网无线路由器频道  2010年928日)不知道大家在这一段时间有没有注意到这样的一条新闻2010831,国际无线充电联盟在北京召开发布会,宣布其无线充电国际标准正式发布。那么,国际无线充电联盟是一个什么样的组织,其无线充电国际标准又到底是一种什么标准呢?还是让我们从一百年前说起最好。

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特斯拉(Nikola Tesla1856—1943)

   不知道上面的这个人大家熟悉不熟悉?但是我相信凡是学过电气工程的人都不会忘记这个人。特斯拉,这位美国籍的克罗地亚人,一生最大的抱负,即为实现全球电力的无线传输。

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沃登克里佛广播塔

   1900年,特斯拉筹建了沃登克里佛广播塔(Wardenclyffe Tower 也被称为Tesla Tower)。在他的构想中,特斯拉把地球作为内导体,地球电离层作为外导体,通过他的放大发射机所特有的径向电磁波振荡模式,在地球与电离层之间建立起低频共振,利用环绕地球的表面电磁波来进行能量的传输。虽然这项实验最终没有完成,但是特斯拉却通过它成为了现代无线电通讯的鼻祖。然而在无线能量传输方面,一个世纪过去了,这项研究依然进展缓慢。

神鬼莫测,游戏与传说中的无线能量传输


   从特斯拉的设想中,我们完全可以想象出一个被能量包围着的地球,不需要电线灯泡就会亮,不需要电线电车就会跑,多么美好的世界啊。于是,正是被这样的美好愿望所驱策着,人们对于电能的无线传输有着各种各样的期望。

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磁暴线圈,这个大家都熟悉吧?

   这张图大家都熟悉吧。耀眼的磁暴线挟裹着邪恶的气息瞬间就让你灰飞烟灭,这就是能量无线传输的一种。虽然它只是游戏中的一个虚拟事物,但是根据特斯拉的理论,这种武器,完全能够变为现实。不信,咱们就接着往下看。

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效果炫目的特斯拉线圈

   在世界各地,有这样的一群爱好者,他们热衷于做出各种各样的设备,制造出眩目的人工闪电,这就是特斯拉线圈爱好者。什么是特斯拉线圈?一个感应圈、变压器、打火器、两个大电容器和一个初级线圈仅几圈的互感器组在一起,然后使用变压器将普通电压升高,电流经过两极线圈产生频率极高功率极小的高压电流,最后通过放电终端进行放电的一种东西。由于能特斯拉线圈在放电过程中会发出炫目的闪电效果,因此在全世界拥有了一大批的拥趸。而红警中的磁暴线圈,就是从这里发端而来的。

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传说中被传送到异域空间的爱尔德里奇

   关于无限能量的传输,最为诡异的事件,要数1943年美军的费城实验了。194310月,美国海军在费城进行了一次人工磁场的机密试验,实验成功地将爱尔德里奇号驱逐舰及全体船员投入另一空间。在实验过程中,实验人员启动脉冲和非脉冲器,使船只周围形成了一个巨大的磁场。随后整条船被一团绿光笼罩着,船只和船员也开始从人们的视线中消失。实验终止时,舰船已被移送到了479公里以外的诺福克码头。此后,一些船员身上仍留有实验的反应,不论在家里,在街上,在酒吧间或饭店里,都会突然地消失又重现,让旁观者惊讶不已。参与这项实验的吉索普(Morris K.Jessup)博士认为,强烈的磁云能够重新排列人类和物质的分子结构,使其进入另外的时空……直到现在,美军依然矢口否认曾经做过这样的实验。

国际无线充电联盟与Qi标准


   在上面那个诡异伪科学传说中,至少还有一点是正确的:磁场可以作为能量无线传输的载体。国际无线充电联盟所发布的qi标准,正是建立在这一理论之上的。

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国际无线充电标准Qi标志

   无线充电联盟(Wireless Power Consortium)成立于20081217,是业界第1个推动无线充电技术标准化的组织,现有成员包括ConvenientPowerDuracellHosidenFulton InnovationLeggett & Platt、美国国家半导体、诺基亚、奥林巴斯、飞利浦、三星电子、三洋电机、深圳桑菲、ST-Ericsson及德州仪器等,涵盖电池、消费电子、芯片、设备制造、基础设施及无线充电技术等领域。

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2010831Qi标准正式发布

   2010831,国际无线充电联盟在北京正式发布了全球首个无线充电标准以及该标准的认证标注Qi。从发布的该标准来看,Qi标准首先获得了众多手机厂商的支持,而且在Qi标准的引导下,手机充电接口,将有希望首次获得统一,这对于现代人的生活来说,将意味着我们终于可以摆脱各种纷繁复杂的手机充电器的困扰。

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Qi标准中关于无线充电技术原理的图释

   在本页的开头我提到过,无线充电的原理非常简单,而这次国际无线充电联盟所发布的Qi标准既是建立在这个基础之上。

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无线充电系统的简易结构图

   中学时代我们的学过电磁感应定律,闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动,导体中就会产生电流。这种现象叫电磁感应现象。产生的电流称为感应电流。说简单了,无线充电,就是要让充电器和充电设备之间充满磁场,然后利用磁场来进行电力的传输。

无线充电技术进阶讲堂


   这里我们想先简单的介绍一下无线充电的技术原理,如果您想对无线充电技术了解的更加深入,那就随我们一同进行探讨吧。

在了解无线充电之前,我想我们应该先来认识几个有关的名词。

   松散耦合:两个本来分开的电路之间或一个电路的两个本来相互分开的部分之间的交链。可使能量从一个电路传送到另一个电路,或由电路的一个部分传送到另一部分。根据两个电路或者器件之间的接触关系,我们可见简单的将其分为直接耦合和松散耦合。在无线充电技术中,将应用到松散耦合技术。

   功率补偿:功率补偿在目前的无线充电技术中将会是一个非常重要的工作环节。我们知道无线充电系统中变压器的原边和副边之间的耦合介质为空气,因此在电能传输过程中存在较大的漏感,因此需要在变压的原边和副边分别通过串联电容来组成谐振电路对传输功率进行补偿,以提高功率传输能力,补偿传输过程中的功率损耗。

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无线充电系统拓扑图

   上面的这幅图就是无线充电系统中一种典型的拓扑结构。从图上我们可以看出,电流的整体流向是从电源开始,经过变压器,在变压之后经过补偿,通过变压器的原边作为磁场信号传输出去,副边接收到磁场信号之后,首先进行功率补偿,以弥补在无线传输过程中损失的电磁信号。然后经过整流之后,传输给负载端。下面我们再结合电路图详细的来阐述一下无线电力传输的过程。

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Qi标准中的电流功率转换电路图

   上面这张图即是Qi标准所提供的技术文档的一部分,这张图比较生动的说明了无线充电系统是如何运行的。首先我们来看左侧的PowerConversion部分,交流电从最左侧输入系统之后,Half Bridge(半桥)开关自动接通电路,Cp为串行谐振电容,Lp则是初级线圈。但是和我们平时所见的自耦变压器中的初次级线圈不同,该初级线圈为按照一定方式排列的线圈所构成的充电平面,即我们现在已经见到的充电板,譬如下图。

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工作中的无线充电系统

   电流通过充电板上的特殊线圈阵列,由充电板发射出一定频率的均匀电磁场。至此,充电板上方的空气中,已经充满了电磁信号。图的右侧PowerConversion部分,则是接收电路的运行模式。接收端,即待充电设备在接收到变压器原边发射出的磁场之后,首先通过了Impedance Matching(阻抗匹配)装置对接收到的电磁信号进行相应的补偿,以保证所接收电磁信号的完整,然后再通过位于图最右侧(Multiplexer)的震荡电路,将转化好的电信号传输给需要充电的相应设备。至此,整个充电过程完成。而上图中的整个电路,即构成了无线充电技术中一个至关重要的元器件:松散耦合变压器。

   相信看到这里,我们应该已经对无线充电的技术有了一个大概的了解,那么在现实中,现在又有哪些产品已经使用了无线充电技术呢?

现实中的无线充电产品


   虽然国际无线充电联盟在8月底才发布了自己的无线充电标准,但是作为一项面向未来的一款能改变我们未来生活方式的一项技术,无线充电技术早已为众多的厂商所觊觎,因此我们也在市面上能够发现已经采用了这种技术的先锋产品。

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海尔发布的无尾电视,率先在家电产品中采用了无线电力传输技术

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戴尔Latitude Z系列笔记本,在PC类产品中首先采用了无线充电技术

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深圳高倚盛生产的GYS-1型无线充电器

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安利无线充电净水器

无线电力传输,改变我们的生活


   看过了这些产品,相信我们都会对未来的无线生活充满了渴望,那么无线电力传输技术到底能给我们的生活带来什么样的改变呢?

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上世纪90年代,无线电力传输仅能勉强点亮一盏12瓦灯泡

   先说说室内的吧。首先是方便,由于没有了各种插头和插座,从而在根本上避免了接触不良、插拔困难等现象。其次我想应当就是安全了,我们知道在有线的电力传输中,由于各种连接线的接触会产生电火花,从而引发火灾或者爆炸,而无线电力传输则完全避免了这一点。还有就是由于没有了裸露在外的电线接头,避免了触电的发生。

   让我们再来看看日常生活以外的。在野外工作时,由于电力传输线路存在机械接触,因此多多少少都会存在发生线路故障的隐患。而无线电力传输由于没有了这些线路的存在,不仅电力传输更为可靠,而且还完全避免了摩擦、腐蚀、天气、灰尘等等多种不利于有线电力传输的因素。而且在野外,无线电力传输将会极大的节省电力传输的成本,因为在现行的情况下,电力传输的线路架设成本往往是用电设备成本的数倍甚至数十倍。

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麻省理工为我们展示的两米距离无线电力传输点亮60瓦灯泡

   再来看看医疗,就让我们举个最常见的例子吧。心脏起搏器大家应该都听说过,目前状况下的心脏起搏器植入人体之后,8-10年左右就需要更换电池。也就是说,虽然安装了心脏起搏器,那么每隔8-10年就还需要再动一次手术来进行起搏器电池的更换。试想一下如果心脏起搏器采用了无线充电的技术,是不是省事多了?更不会发生手术失败、胸腔感染等情况,患者的术后生活质量竟会得到极大的提升。

   仅仅从这几个方面,我们就已经能够窥见无线电力传输能够为我们未来的生活带来怎样的变化。但是,无线电力传输毕竟还是一项刚刚走出实验室的技术,显而易见,现阶段的它并不完美。

真正的无线生活,还需要我们耐心等待


   前面我们已经较为详细的梳理了无线电力传输的起源、发展以及基本的技术原理,虽然现在已经有了应用了这项技术的产品出现,但是平心而论,这些产距离理想的无线充电技术还有不小的差距。

   当前无线充电最大的困难就是无线电力传输的距离和传输的功率。在前面我们说过,在能量的无线传输中,由于将空气当做耦合介质,因此在能量的传输过程中,充当电力载体的磁力线会有极大的损耗,正是这个损耗的存在,决定了在现阶段电力还不能够进行大功率远距离的无线传输。而且,由于充电器与被充电设备之间是以磁场的形式连接,各种各样的感染将会不可避免,这样的干扰同样也会造成能量传输的损耗。根据这次国际无线充电联盟所发布的Qi标准来看,无线充电器的电能转换效率仅为有线充电器的70%,而充电距离,还没有做到真正的无线传输,仍然需要充电设备与充电板相接触才行。当然,距离特斯拉曾经设想的全球电力无线传输更是相差十万八千里。

   其次,我们现在每天都在说辐射辐射,女人怕辐射损害皮肤,男人怕辐射损害身体,孕妇怕辐射损害宝宝,老人怕辐射加速衰老,那无线充电呢?无线充电在这里主要包括两个层面。一是如何保证电磁波只辐射到手机接收部分,不会影响到人体健康,或干扰其他设备;二是让电磁辐射在错误使用情况下不至于损坏电池和充电器,比如识别无线充电器上的异物,防止锂电池过热导致的变形或爆炸的危险等。对人体的危害,有专家表示由于无线电力传输在空气中是以磁场形式存在,因此并不会对人体造成任何的伤害。但是目前并没有任何的理论能够对这一说法提供足够的支持。而对于如何能保证绝对正确的识别充电器上的物体,专家表示这些都要通过大量的软硬件工作来实现。在市场发展上仍需分阶段逐步过渡,尚有很多问题待解决。

   上面列举的这连个问题只是眼下急需解决的无线电力传输问题,也许在日后的发展中,无线电力传输将会遇到更多的问题。但是,作为二十一世纪最令人期待的科技之一,相信无线电力传输终究会改变未来的生活模式,让我们真正进入到无线时代。

 

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