基于磁共振技術(shù)的無線供電應(yīng)用探析

摘 要：本文闡述了磁共振無線供電技術(shù)的結(jié)構(gòu)和原理；同時(shí)，梳理了磁共振無線供電技術(shù)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用情況，并分析該技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)和對(duì)策措施；目的是為無線供電技術(shù)推廣和發(fā)展探索提供一點(diǎn)思路。

關(guān)鍵詞：磁共振；無線供電；應(yīng)用探析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.102

1 無線供電概述

無線供電是一種安全便捷的新型供電技術(shù)，它不需要電氣設(shè)備與電源有物理上的直接相連，電能就可微距離無連接地輸送給用電器。終端用電設(shè)備通過無直接連接方式取得電能的途徑稱為無線供電，所獲取的電能是經(jīng)過電磁能量之間的轉(zhuǎn)換而來，能夠提供這種電能供應(yīng)轉(zhuǎn)換的裝置叫做無線供電裝置。這種想法從19世紀(jì)上半葉電磁感應(yīng)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)之后就已產(chǎn)生。無線供電的形式有多種，如電磁感應(yīng)、電磁共振和微波供電等，只是有的無線供電裝置構(gòu)造復(fù)雜，體大笨重，使用不夠方便，需要經(jīng)過中間轉(zhuǎn)換裝置才能實(shí)現(xiàn)與終端設(shè)備相連。

近年來，國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)和公司相繼研發(fā)出短距離和微距天線供電技術(shù)和產(chǎn)品，以滿足各種產(chǎn)品的需要這些無線供電模塊。他們根據(jù)用戶需求陸續(xù)開發(fā)各種功率范圍的充、供電模塊以適用于更廣闊的空間，其效率高、體積小巧、重量輕、低廉、使用壽命長、使用簡單方便，還可在水下給電子產(chǎn)品供電、充電；只需將發(fā)射器接上電源，便可在一定的空間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)電器產(chǎn)品的無線充電或供電功能。目前已可滿足多種低功率家用電器供電需求。

2 磁共振原理與結(jié)構(gòu)

無線充電技術(shù)發(fā)展至今，主要經(jīng)歷了磁感應(yīng)和磁共振模式。在磁感應(yīng)模式下，充電板和充電設(shè)備間必須緊密耦合，且只能一對(duì)一充電；而磁共振標(biāo)準(zhǔn)為松散耦合，提供極大的空間自由度，它可為不含金屬的多臺(tái)設(shè)備同時(shí)充電工作。

2.1 磁共振原理

電磁共振無線供電經(jīng)歷電能轉(zhuǎn)化為磁能和再由磁能轉(zhuǎn)化為電能的過程。2007年6月，麻省理工大學(xué)的物理學(xué)助理教授馬林.索爾賈希克（Marin Soljacic）和他的研究團(tuán)隊(duì)利用“WiTricity”技術(shù)的原理發(fā)明了“磁耦合共振”。

磁耦合共振供電技術(shù)把發(fā)射端與接收端的電磁線圈制作成磁共振體系，如果發(fā)射方生成的振蕩磁場頻率與接收方預(yù)設(shè)的固有頻率一致，則接收方就會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，并完成了電磁能量傳遞。根據(jù)磁共振特點(diǎn)，電磁能量傳遞只會(huì)在這個(gè)磁共振體系內(nèi)部發(fā)生，對(duì)共振系統(tǒng)以外的任何其它物體不會(huì)產(chǎn)生影響效果。若只有發(fā)送方電磁線圈裝置，給它供電并不會(huì)向外界發(fā)送電磁波，只會(huì)在其周圍產(chǎn)生一個(gè)非輻射形式的電磁場。發(fā)送方電磁線圈裝置主要任務(wù)是激發(fā)接收方電磁線圈共振聯(lián)絡(luò)裝置，并以較小能量損耗方式進(jìn)行能量傳輸。在磁耦合共振過程中，其電磁場強(qiáng)度與地球磁場強(qiáng)度類似，并不會(huì)對(duì)人和其他設(shè)備產(chǎn)生不良影響。

2.2 磁共振結(jié)構(gòu)

磁共振無線供電系統(tǒng)主要由電能輸送模塊與電能接收模塊兩部分構(gòu)成。電能輸送模塊包括交流直流電源部分、基準(zhǔn)電壓部分、驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、控制保護(hù)裝置、功率放大輸出部分、振蕩結(jié)構(gòu)以及發(fā)射電磁線圈等構(gòu)成；電能接收模塊由接收電磁線圈、供電負(fù)載和高頻整流濾波裝置等構(gòu)成。其基本原理與電磁感應(yīng)供電工作方式相類似，只是磁耦合共振供電方式增加了一個(gè)高頻驅(qū)動(dòng)電源裝置，應(yīng)用具有電磁線圈和電容器的LC共振電路，而不是用普通電磁線圈構(gòu)成兩個(gè)輸送與接收電能模塊。當(dāng)電源輸送單元接通電源時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生交變磁束使電能接收單元產(chǎn)生電動(dòng)勢，給用電設(shè)備供電輸出電流提供源源不斷的電能。

磁共振頻率的數(shù)值會(huì)跟隨供電和接收模塊之間的距離大小發(fā)生改變。若輸送距離發(fā)生變化，輸送效率也會(huì)像電磁感應(yīng)現(xiàn)象一樣快速變小。因此，可通過調(diào)整控制電路裝置的共振頻率，以使兩個(gè)模塊電路產(chǎn)生共振現(xiàn)象。在通過調(diào)節(jié)控制回路裝置的輸送與接收頻率，可實(shí)現(xiàn)電能輸送距離增加到數(shù)米；同時(shí)，把兩模塊電路的電阻減小到最小值可實(shí)現(xiàn)提高傳送效率的效果。而且這種供電裝置的傳輸效率還跟輸送接收電能的模塊直徑有關(guān)，當(dāng)傳輸面積變大，傳輸效率就越高。當(dāng)前的傳輸距離能夠?qū)崿F(xiàn)40cm左右，輸送效率大約90%左右。磁共振無線供電系統(tǒng)基本工作原理結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

3 磁共振無線供電的應(yīng)用

近年來，以磁共振充電為核心的Rezence標(biāo)準(zhǔn)已開始深入人心。眾多知名的電子生產(chǎn)商進(jìn)軍無線供電領(lǐng)域，繼諾基亞推出首款具備無線供電功能的手機(jī)Lumia920后，三星、HTC、飛利浦、LG等相繼推出具備無線供電功能概念手機(jī)，戴爾推出Latitude Z系列筆記本電腦、海爾則推出了以“無尾電視”、“家用無線供電書桌”等為代表的無線供電家用電器系列，惠州明天科技發(fā)明的三維無線電源可在一定的空間里同時(shí)對(duì)多個(gè)家用電器無線供電，供電對(duì)象可以在該空間內(nèi)的地面上、桌面上，甚至天花板上，真正實(shí)現(xiàn)家居生活。

在日本，手機(jī)用戶已可在東京等大城市的醫(yī)院、連鎖咖啡店使用無線充電。在北美，星巴克正在其連鎖店中推廣該項(xiàng)服務(wù)，加拿大的溫莎機(jī)場和部分醫(yī)療中心均為等候人群提供無線供電服務(wù)。而在北京中關(guān)村的咖啡店里提供免費(fèi)無線供電服務(wù)。

為加速的無線供電技術(shù)的推廣及市場應(yīng)用，無線供電產(chǎn)業(yè)鏈中的生產(chǎn)商、技術(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)、集成商及終端應(yīng)用商等，都積極參與其中，國際無線供電聯(lián)盟（WPC）在大力開展國際標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用推廣，我國的通信、電子等相關(guān)行業(yè)部門也在牽頭開展標(biāo)準(zhǔn)起草標(biāo)準(zhǔn)制定工作。

4 磁共振無線供電的特點(diǎn)與應(yīng)對(duì)措施

利用電磁共振可穿透非金屬，而不能穿透金屬的特點(diǎn)，已生產(chǎn)出即時(shí)供電的電器設(shè)備，在水下工作運(yùn)行防水和在金屬密閉裝置實(shí)現(xiàn)電磁抗干擾等方面效果表現(xiàn)都較好。選擇一個(gè)合適供電頻率在無線供電系統(tǒng)中發(fā)生共振，則電能發(fā)送方的電磁波頻率對(duì)正常的通信、廣播不會(huì)產(chǎn)生干擾或干擾較小，對(duì)人體或其他生物也不構(gòu)成傷害，符合安全指標(biāo)。但基于磁共振無線供電技術(shù)的原理，必須滿足發(fā)送電磁線圈與接收電磁線圈有相同的諧振電磁頻率，才能輸送電能，因而在使用中出現(xiàn)了一些不足。這是目前電磁共振無線供電技術(shù)難以實(shí)用的重要原因。主要有以下兩方面的問題：endprint

（1）電磁共振以“電—磁—磁—電”形式，在一個(gè)開放型的體系中完成供電電能的傳輸，一定會(huì)發(fā)生電磁能量輻射方面的損耗及漏磁現(xiàn)象，并且在遠(yuǎn)距離的狀態(tài)下，效率可能會(huì)更低。因此，不符合節(jié)能的理念。

（2）在微小距離內(nèi)產(chǎn)生電磁共振，還會(huì)有空振高壓問題：接收模塊在負(fù)載用電時(shí)產(chǎn)生的電壓和空載時(shí)產(chǎn)生的電壓相差很大，使得無線供電裝置接收單元空載時(shí)，因電壓的幅值發(fā)生突變，而把負(fù)載模塊的電子元器件燒壞。

針對(duì)以上問題，我們可以探索采取以下措施進(jìn)行完善和優(yōu)化，

（1）探索和開發(fā)新型磁性損耗小的線圈材料，譬如，為了降低縱向漏磁場產(chǎn)生的渦流損耗、環(huán)流損耗和提高效率，就必須加大磁性材料的電阻率，并將其制成很薄的片狀減小線圈導(dǎo)線的厚度等措施。另外，可通過改變共振線圈的尺寸和結(jié)構(gòu)，以優(yōu)化共振電路中的電容和電感值，使共振達(dá)到最佳狀態(tài)。

（2）通過增加自動(dòng)通斷電智能控制檢測單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)接收電路空載時(shí)的保護(hù)。當(dāng)自動(dòng)通斷電智能控制單元檢測到受電設(shè)備中用的負(fù)載處于工作狀態(tài)時(shí)，無線供電裝置啟動(dòng)正常供電控制；當(dāng)自動(dòng)通斷電智能控制單元檢測到受電設(shè)備中用的負(fù)載處于處于非工作狀態(tài)時(shí)，立即禁用無線供電裝置供電。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電路在通斷電時(shí)產(chǎn)生的較大沖擊電流對(duì)用電設(shè)備的破壞，可在裝置中增加一個(gè)負(fù)載動(dòng)態(tài)適應(yīng)系統(tǒng)。

5 結(jié)語

隨著無線供電技術(shù)的廣泛應(yīng)用和技術(shù)革新，無線供電所具備的創(chuàng)新、智能、便捷、安全等特性，成為當(dāng)前最令人期待的前沿技術(shù)，并為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展注入了新的活力。在科技日新月異的今天，用無線充電取代電線已是大勢所趨。作為最有前景的技術(shù)之一，無線充電正漸入佳境、日益成熟。也許不久的將來，我們就會(huì)用到遠(yuǎn)距離供電或室內(nèi)短距離供電的無線供電產(chǎn)品，當(dāng)前的電線桿和高壓線可能就會(huì)從我們生活中消失，各種插座、插板和插頭將成為歷史名詞。人們可完全從需要的角度在家里放置各種家用電器設(shè)備，不需要再考慮其附近有無電源接入裝置；人們?cè)谘b修房屋的時(shí)也減少了布設(shè)電線而帶來的工作量；像經(jīng)常使用的平板電腦和智能手機(jī)等小件電子產(chǎn)不再為電池容量不夠用發(fā)愁。目前市場上已經(jīng)部分這樣的無線供電技術(shù)原型產(chǎn)品，這些產(chǎn)品被廣泛使用及性能被進(jìn)一步發(fā)展完善只是時(shí)間問題。

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作者簡介：趙家敏（1976-），男，云南富源人，碩士，副教授，研究方向：建筑設(shè)備無線供電。endprint