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专家观点 | 无线功率传输发展方向

日期: 2021-06-28
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无线接口能量传输变得越来越普及,例如无线耳机和电磁炉等。然而,这项技术究竟还能给我们带来多少便利?我们能否在不插电的情况下为汽车充电,或者如何实现在不通过电塔和沟渠就把电力传输到偏远地区?

无线供电的主要形式有两种

1. 通过在发射器和接收器之间形成电场或磁场来实现紧密耦合,将能量从一边传递到另一边。某些紧密耦合的功率传输方案使用电场耦合两个电极。但在更普遍的情况下,比如电磁炉、电动牙刷和手机充电器及其他产品会在发射器中产生电磁场,然后利用这个电磁场在附近的接收器中生成感应电流,从而为电池充电等等。

 

2. 辐射耦合,它涉及将能量束(通常以高频无线电波的形式)引导传送到接收器,接收器捕获尽可能多的能量。

专家观点 | 无线功率传输发展方向 

对准发射器和接收器,才能高效传输能量


汽车无线充电应用

 

随着电动汽车无线充电标准的制定,我们看到了更大的挑战。Molex莫仕最近针对汽车企业的一项调研显示,有36%的受访者认为到2030年无线充电将成为标准功能。在手机中充电速率以数十瓦为单位。然而,电动汽车(EV)需要达到50KW至250KW充电速率,才有可能替代内燃机汽车进行长途行驶。确保地面上的传输线圈与汽车下方的拾波线圈之间的对准非常重要。由于对准不良而造成的传输损耗有百分之几,这就意味着数百瓦的功率会损耗,成为充电器的传输线圈与车辆的接收器之间接口中的无用热量。


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电动汽车无线充电车道的概念

 

SAE International国际自动机工程师学会已经发布了一项标准“J2954_202010”,以解决汽车无线充电的诸多问题。它建立了用于轻型插入式EV汽车的无线电力传送系统的互操作性、电磁兼容性、EMF、性能、安全性和测试标准。该规范旨在用于固定式充电应用,将来可能会考虑动态应用。以目前的形式,它仅限于地面上的充电垫,不包括嵌入式安装的充电设备。 SAE J2954标准还定义了一种对齐方法,该方法将帮助驾驶员将其车辆与充电板对齐,以确保实现高效的能量传送,以及建造相关设施用于未来有可能的自动充电操作。但是,如要要实现简单快速的无线充电,以取代将汽车插入汽油泵一样的常规用户行为,就需要精良的工程设计和大量用户规范操作。

 

迄今为止,在汽车中为手机进行无线充电可能是无线电力传送发展前景不明朗的最好例证。仅当手机准确放在特定位置时才能使用无线充电,以确保发射器和接收器线圈之间的稳固对准。


专家观点 | 无线功率传输发展方向


各种形式的充电垫,从左到右:无线充电架,无线充电垫和无线充电杯架

 

手机无线充电应用

 

手机用户是比较挑剔的,这就是为什么最新的智能手机的外壳后部具有如此强的磁铁,以便轻松快速地对齐。但是,这种无线充电仍然不足。用户更希望能够在指定空间的任何位置为设备充电,而无需紧贴精确对准充电线圈。由Molex Ventures投资的初创企业Ossia通过使用类似高级WiFi和5G系统中使用的MIMO天线阵列的方法来做到这一点,即使设备不在发射器的视线内,也可以将能量发射到设备上。

 在Ossia的方法中,电力发射器会从天线发射出常规信号,以使其与附近的任何兼容设备同步。然后,每个接收器都发回一个信标信号,表明其存在和需求。功率发送器测量每个信标信号的相位,并使用该信号确定功率发送方向,以实现最有效的能量传输。

 

这种方法适用于单天线发送器,但具有多个天线的功率发送器可以测量到达每根天线的信标信号的略有差别的相位,从而更准确地建立最有效的传输路径。然后,功率发送器可以调整每个天线的相位和功率输出,将相干的能量束导引传送到接收器。而且这条路径不必在视线范围内——如果受电设备发送的信标信号在通往发射器的途中被墙壁弹回,则功率发射器会导引其能量束沿着相同的路径回来。


专家观点 | 无线功率传输发展方向

 

启用Ossia Cota电力接收器的设备发送信标信号以定位Cota电力发射器

 

功率发送器还可以为一个空间内多个设备进行无线充电,该空间中的每个接收器都测量其需要的功率,并将此信息作为请求发送给功率发送器。然后,功率发送器比较来自它正在服务的接收器的所有请求,并且根据需求向每个接收器分配无线电力脉冲。Molex Ventures公司认为这种方法前景光明,一旦能以这种方式传送能量,人们就可以重新考虑如何在环境中为设备供电。充电方式从无线充电变为无线供电。例如,天花板烟雾报警器将永远不需要新电池了,而扫地机器人也无需返回充电站,也可继续执行清扫任务。

如果可以在限定范围内的任何地方以无线方式为设备供电,那么我们可能会看到人们的行为发生变化,新的机型也会涌现,就像从固定电话发展到智能手机时的情形一样。

最终,这一变化将伴随着配套技术的发展,例如支持对准的传感器,或有助于大功率充电的热管理解决方案。为通往一个联系日益紧密但不受束缚的世界提供一条道路。


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