基于磁共振技術的無線供電應用探析

摘 要：本文闡述了磁共振無線供電技術的結(jié)構和原理；同時，梳理了磁共振無線供電技術的現(xiàn)實應用情況，并分析該技術的應用特點和對策措施；目的是為無線供電技術推廣和發(fā)展探索提供一點思路。

關鍵詞：磁共振；無線供電；應用探析

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，它不需要電氣設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轉(zhuǎn)換的裝置叫做無線供電裝置。這種想法從19世紀上半葉電磁感應現(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、電磁共振和微波供電等，只是有的無線供電裝置構造復雜，體大笨重，使用不夠方便，需要經(jīng)過中間轉(zhuǎn)換裝置才能實現(xiàn)與終端設備相連。

近年來，國內(nèi)外許多研究機構和公司相繼研發(fā)出短距離和微距天線供電技術和產(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

無線充電技術發(fā)展至今，主要經(jīng)歷了磁感應和磁共振模式。在磁感應模式下，充電板和充電設備間必須緊密耦合，且只能一對一充電；而磁共振標準為松散耦合，提供極大的空間自由度，它可為不含金屬的多臺設備同時充電工作。

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，麻省理工大學的物理學助理教授馬林.索爾賈希克（Marin Soljacic）和他的研究團隊利用“WiTricity”技術的原理發(fā)明了“磁耦合共振”。

磁耦合共振供電技術把發(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設的固有頻率一致，則接收方就會出現(xiàn)共振現(xiàn)象，并完成了電磁能量傳遞。根據(jù)磁共振特點，電磁能量傳遞只會在這個磁共振體系內(nèi)部發(fā)生，對共振系統(tǒng)以外的任何其它物體不會產(chǎn)生影響效果。若只有發(fā)送方電磁線圈裝置，給它供電并不會向外界發(fā)送電磁波，只會在其周圍產(chǎn)生一個非輻射形式的電磁場。發(fā)送方電磁線圈裝置主要任務是激發(fā)接收方電磁線圈共振聯(lián)絡裝置，并以較小能量損耗方式進行能量傳輸。在磁耦合共振過程中，其電磁場強度與地球磁場強度類似，并不會對人和其他設備產(chǎn)生不良影響。

2.2 磁共振結(jié)構

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成。電能輸送模塊包括交流直流電源部分、基準電壓部分、驅(qū)動結(jié)構、控制保護裝置、功率放大輸出部分、振蕩結(jié)構以及發(fā)射電磁線圈等構成；電能接收模塊由接收電磁線圈、供電負載和高頻整流濾波裝置等構成。其基本原理與電磁感應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高頻驅(qū)動電源裝置，應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成兩個輸送與接收電能模塊。當電源輸送單元接通電源時，就會產(chǎn)生交變磁束使電能接收單元產(chǎn)生電動勢，給用電設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，輸送效率也會像電磁感應現(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，可實現(xiàn)電能輸送距離增加到數(shù)米；同時，把兩模塊電路的電阻減小到最小值可實現(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，當傳輸面積變大，傳輸效率就越高。當前的傳輸距離能夠?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)構圖，如圖1所示。

3 磁共振無線供電的應用

近年來，以磁共振充電為核心的Rezence標準已開始深入人心。眾多知名的電子生產(chǎn)商進軍無線供電領域，繼諾基亞推出首款具備無線供電功能的手機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，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對多個家用電器無線供電，供電對象可以在該空間內(nèi)的地面上、桌面上，甚至天花板上，真正實現(xiàn)家居生活。

在日本，手機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服務，加拿大的溫莎機場和部分醫(yī)療中心均為等候人群提供無線供電服務。而在北京中關村的咖啡店里提供免費無線供電服務。

為加速的無線供電技術的推廣及市場應用，無線供電產(chǎn)業(yè)鏈中的生產(chǎn)商、技術研發(fā)機構、集成商及終端應用商等，都積極參與其中，國際無線供電聯(lián)盟（WPC）在大力開展國際標準應用推廣，我國的通信、電子等相關行業(yè)部門也在牽頭開展標準起草標準制定工作。

4 磁共振無線供電的特點與應對措施

利用電磁共振可穿透非金屬，而不能穿透金屬的特點，已生產(chǎn)出即時供電的電器設備，在水下工作運行防水和在金屬密閉裝置實現(xiàn)電磁抗干擾等方面效果表現(xiàn)都較好。選擇一個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正常的通信、廣播不會產(chǎn)生干擾或干擾較小，對人體或其他生物也不構成傷害，符合安全指標。但基于磁共振無線供電技術的原理，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難以實用的重要原因。主要有以下兩方面的問題：endprint

（1）電磁共振以“電—磁—磁—電”形式，在一個開放型的體系中完成供電電能的傳輸，一定會發(fā)生電磁能量輻射方面的損耗及漏磁現(xiàn)象，并且在遠距離的狀態(tài)下，效率可能會更低。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，還會有空振高壓問題：接收模塊在負載用電時產(chǎn)生的電壓和空載時產(chǎn)生的電壓相差很大，使得無線供電裝置接收單元空載時，因電壓的幅值發(fā)生突變，而把負載模塊的電子元器件燒壞。

針對以上問題，我們可以探索采取以下措施進行完善和優(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，以優(yōu)化共振電路中的電容和電感值，使共振達到最佳狀態(tài)。

（2）通過增加自動通斷電智能控制檢測單元，實現(xiàn)對接收電路空載時的保護。當自動通斷電智能控制單元檢測到受電設備中用的負載處于工作狀態(tài)時，無線供電裝置啟動正常供電控制；當自動通斷電智能控制單元檢測到受電設備中用的負載處于處于非工作狀態(tài)時，立即禁用無線供電裝置供電。同時，為了實現(xiàn)對電路在通斷電時產(chǎn)生的較大沖擊電流對用電設備的破壞，可在裝置中增加一個負載動態(tài)適應系統(tǒng)。

5 結(jié)語

隨著無線供電技術的廣泛應用和技術革新，無線供電所具備的創(chuàng)新、智能、便捷、安全等特性，成為當前最令人期待的前沿技術，并為相關產(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，我們就會用到遠距離供電或室內(nèi)短距離供電的無線供電產(chǎn)品，當前的電線桿和高壓線可能就會從我們生活中消失，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備，不需要再考慮其附近有無電源接入裝置；人們在裝修房屋的時也減少了布設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原型產(chǎn)品，這些產(chǎn)品被廣泛使用及性能被進一步發(fā)展完善只是時間問題。

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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：建筑設備無線供電。endprint