無(wú)線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用于桌面電子設(shè)備充電的研究

鄒磊

摘要：隨著電子設(shè)備的迅速發(fā)展，人們桌面上可充電設(shè)備愈發(fā)增多，擁有不同充電協(xié)議和充電功率的有線充電插頭不但影響桌面美觀，更增加了用電危險(xiǎn)性，如何高效、美觀、便捷地為電子設(shè)備充電成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界非常關(guān)注的問(wèn)題。無(wú)線電能傳輸技術(shù)（Wireless Power Transfer， WPT）作為一種新型的供電技術(shù)，采用非接觸的方式供電，具有便捷、靈活、美觀的特點(diǎn)。本文對(duì)無(wú)線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用于桌面電子設(shè)備充電進(jìn)行了技術(shù)研究，為未來(lái)無(wú)線充電的發(fā)展提供思路。

關(guān)鍵詞：無(wú)線電能傳輸技術(shù)、電子設(shè)備供電，IPT

1 ?引 ? 言

主流的無(wú)線電能傳輸（Wireless Power Transfer， WPT）技術(shù)主要分為：磁場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸（ Inductive Power Transfer， IPT）技術(shù)、電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸（ Capacitive Power Transfer， CPT）技術(shù)。本文首先簡(jiǎn)要介紹了IPT和CPT的工作原理和發(fā)展現(xiàn)狀，并將兩者進(jìn)行比較分析，指出IPT更適用于桌面電子設(shè)備無(wú)線充電。然后結(jié)合桌面電子設(shè)備的工作特點(diǎn)，提出桌面無(wú)線充電的應(yīng)用方法以及核心問(wèn)題，為未來(lái)實(shí)際應(yīng)用提供思路。

2 ?無(wú)線電能傳輸研究現(xiàn)狀

2.1 ?磁場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸技術(shù)

如圖1所示為磁場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)示意圖，輸入端的直流電源經(jīng)過(guò)高頻逆變模塊被轉(zhuǎn)化為高頻的交流電，根據(jù)實(shí)際需求以及電磁標(biāo)準(zhǔn)，頻率一般設(shè)置為幾十kHz至MHz級(jí)別，高頻交流電經(jīng)過(guò)原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)后流經(jīng)發(fā)射線圈，高頻交流電在空間中產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)，接收線圈受此高頻磁場(chǎng)影響，感應(yīng)出高頻交流電流，再經(jīng)過(guò)副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和高頻整流模塊，轉(zhuǎn)化為可為電子設(shè)備充電的直流電流[1][2]。作為WPT技術(shù)的主流研究方向，磁場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸技術(shù)已成為WPT技術(shù)商業(yè)化推廣的主要解決方案。由于其利用高頻磁場(chǎng)作為傳輸電能的媒介，其不可避免地會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，這為IPT技術(shù)的推廣帶來(lái)了難題。但隨著國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)（ICNIRP）推出了ICNIRP導(dǎo)則以及國(guó)際無(wú)線充電聯(lián)盟（WPC）推出了無(wú)線充電QI標(biāo)準(zhǔn)，WPT技術(shù)電磁輻射的問(wèn)題得到了比較好的解決方案[3]。

2.2 ?電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸技術(shù)

與IPT系統(tǒng)相似，電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的輸入端的直流電源均需要通過(guò)高頻逆變模塊和原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為高頻交流電，通過(guò)在金屬極板上施加高頻交流電壓，在極板之間形成高頻電場(chǎng)，副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)感應(yīng)出的高頻交流電經(jīng)過(guò)整流模塊轉(zhuǎn)化為直流電供給負(fù)載使用。CPT技術(shù)由于利用電場(chǎng)傳遞能量，電磁輻射比較小，在金屬物件較多的應(yīng)用場(chǎng)合，渦流損耗非常小。但是由于電場(chǎng)的距離限制，CPT技術(shù)的傳輸距離較短，適用于傳輸距離為毫米級(jí)的應(yīng)用場(chǎng)合。

3 ?應(yīng)用于桌面電子設(shè)備充電的WPT技術(shù)

目前應(yīng)用于電子設(shè)備無(wú)線充電的主流方案主要為單個(gè)用電設(shè)備進(jìn)行充電，截至2021年9月，市面上也出現(xiàn)了可為兩個(gè)至三個(gè)用電進(jìn)行充電的無(wú)線充電器。該方案無(wú)需像有線充電方式一樣需要對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行插拔式操作，可實(shí)現(xiàn)放置充電，具備靈活便捷的特點(diǎn)，但該方案仍然需要一根給無(wú)線充電器供電的充電線，當(dāng)桌面用電設(shè)備較多時(shí)，多根充電線影響桌面美觀，減少桌面可用面積。

為解決上述問(wèn)題，本文提出一種新型的無(wú)線充電方案。此方案將發(fā)射線圈、逆變模塊和補(bǔ)償模塊集成到桌面，通過(guò)一根電源線給桌面式無(wú)線充電裝置進(jìn)行供電。本方案可以應(yīng)用于辦公桌、餐桌、電視柜等家具，真正實(shí)現(xiàn)桌面“無(wú)線”，有利于桌面美觀，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。對(duì)于本文所提出的桌面式無(wú)線充電方式，其核心問(wèn)題主要?dú)w納如下：

（1）電磁輻射問(wèn)題。當(dāng)整個(gè)桌面都安裝了發(fā)射線圈后，與單設(shè)備的無(wú)線充電器相比，磁場(chǎng)范圍顯著增加。此問(wèn)題可以通過(guò)在發(fā)射線圈添加導(dǎo)磁體來(lái)優(yōu)化，導(dǎo)磁體可以改變磁場(chǎng)的分布，通過(guò)合理設(shè)計(jì)導(dǎo)磁體的形狀、體積、放置位置，可以優(yōu)化泄露磁場(chǎng)的發(fā)散，從而達(dá)到電磁兼容的目的。

（2）效率問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)全桌面式的無(wú)線供電，還可以使用模塊化發(fā)射線圈，即將多個(gè)小發(fā)射線圈安裝在桌面底部，當(dāng)用電設(shè)備放置在桌面任意位置時(shí)，均可實(shí)現(xiàn)正常充電。

（3）功率平衡。在對(duì)多個(gè)用電設(shè)備進(jìn)行無(wú)線充電時(shí)，當(dāng)任意設(shè)備接入或者斷開，應(yīng)保證不影響其他設(shè)備的正常供電。可以采用模塊化發(fā)射線圈，通過(guò)檢測(cè)發(fā)射線圈電流，可判斷此發(fā)射線圈是否處于傳輸能量狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生任意設(shè)備的接入或者斷開時(shí)，通過(guò)控制算法，可根據(jù)用電狀態(tài)對(duì)此發(fā)射線圈進(jìn)行開斷。

處理好上述三個(gè)核心問(wèn)題，桌面式無(wú)線充電方式在技術(shù)層面上不難實(shí)現(xiàn)，但在商業(yè)化方面，仍然需要工業(yè)界處理好成本、價(jià)格、制作工藝以及宣傳工作。無(wú)線充電技術(shù)在推動(dòng)智能化充電、無(wú)人式充電方面扮演者舉足輕重的作用，因此，無(wú)線充電方式具有廣闊的發(fā)展前景和科研價(jià)值。

4 ?結(jié) ? 論

本文對(duì)無(wú)線電能傳輸中兩種主流技術(shù)——磁場(chǎng)耦合式技術(shù)和電場(chǎng)耦合式技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)性介紹和比較，針對(duì)桌面用電設(shè)備的充電應(yīng)用，提出了基于IPT技術(shù)的桌面式無(wú)線充電系統(tǒng)。在技術(shù)層面，指出了桌面式無(wú)線充電的三大核心問(wèn)題，并給出了對(duì)應(yīng)的解決思路，為桌面式無(wú)線充電系統(tǒng)的應(yīng)用指出了方向。

參考文獻(xiàn)

[1].龔立嬌，蘭永均.無(wú)線電能傳輸技術(shù)分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015（s1）：215-220.

[2].麥瑞坤，李勇，何正友，等.無(wú)線電能傳輸技術(shù)及其在軌道交通中研究進(jìn)展[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，51（3）：446-461.

[3].郝宏剛， 張春生. 磁諧振式無(wú)線電能傳輸效率研究[J]. 電力電子技術(shù)， 2015， 49（10）：102-108.