无线充电渐近:利大于弊还是弊大于利?

时间:2015-04-09 13:41来源:材料人网 作者:zh
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无线充电最早通过电磁感应现象证实了无线广播和电力传输的可能,经过200多年的发展,无线充电已经可以支持10米以内的如助听器、手表、娱乐设施等小功率设备的运行;然而无线充电技术的实施也会带来一定的危害,虽然它可以在高危环境或非电接触环境中进行安全充电,但其产生的辐射也会诱发健康问题。

  在未来的某一天,无线充电可能会取代现在的插头及电线成为一种新的充电方式,就像蓝牙和无线网让我们的通信更加现代化一样。无线充电的工作原理是电感耦合,即利用电磁场将能量从发送方传送到接收方实现充电。

  无线电能传送并不是一个新概念,早在1831年,Michael Faraday就从空间中发送电磁力的相关试验中发现了电磁感应现象。19世纪末20世纪初,Nicola Tesla 论证了无线广播和电力传输的可行性。1899年在Colorado Springs做的试验促进了纽约Wardenclyffe塔的建成。Tesla想要证明电能可以进行无线传输,但由于缺乏资金,这个项目不得不被暂停。

  直到20世纪20年代公共广播才开始出现。欧洲建设了许多大型发射器,其发射的能量可以覆盖许多国家。瑞士Beromünster的发射器本可以以600千瓦的功率发射,但由于受到了电磁波方面的法律限制及当地污染情况的制约,最终只能以180千瓦的功率发射。从那以后,这些大型的国际发射器被较小的调频电台所取代。

  在利用电磁场发射能量这一点上,无线充电与无线电是类似的。无线充电一般在近场条件下操作,该条件下,原线圈产生的电磁场被距离更近的二次线圈所捕获。另一方面,无线电发射机是通过电磁波在空间传播来实现远场操作的。无线充电的接收线圈要捕获到原线圈所产生的大部分能量才能工作,而无线电的接收天线仅需几微伏电能就能还原放大时变得智能的信号。

  无线充电的分类

  无线充电可分为感应充电,无线电充电以及共振充电。现如今大多数的无线充电器采用的都是感应充电,这种充电器配有紧邻的发射线圈和接收线圈。电动牙刷是第一批采用这种方式充电的设备之一,而手机由于其使用方便可能会成为无线充电发展最好的一个方向。

  无线电充电可以支持发射器到充电电池相距半径10米以内的小公率设备运行,例如医用机械植入器,助听器,手表,娱乐设施以及无线射频识别芯片等。发射器发送一个小功率的无线电波,接收器将此信号转变为能量。无线电充电器就像一个无线电发射器,配备有高度灵活但功率很小的接收器,让使用者处于电磁波环境中。

  无线充电的概念

  待机状态下,充电器座将发射信号,这些信号能在电容或共振频率改变时检测到物体的形态。一旦检测到物体,充电器就会发射出一个脉冲信号,该信号能将足够的能量转移至待充电设备进行充电。当我们提供了一个有助于接收器的定位及增强充电器座和接收器间磁力偶合作用的识别信号和信号强度信号以后,这个脉冲信号才会被唤醒开始响应。
  当待充电设备满足了某项互操作标准所定义的要求后才能被识别,充电器座才会开始传输电力。充电过程中,待充电设备通过控制误差信号调节接收功率的大小。电量充满或拔出负载后,充电器座转变为待机状态。

  发射线圈和接收线圈是相互屏蔽的,这样能获得更好的耦合效果,也能减少漫辐射。一些充电器座的发射线圈是可以自由移动的,它能找到耦合效果最好的一个位置,而其他的充电器则是采用多个发射线圈,只有那些离目标物很近的线圈才能发挥作用。

  WPC(无线充电联盟)将这种发射器称为TX控制器或者基站,将移动设备的接收器称为RX控制器或功率接收器。这种发射器和变压器的相似之处在于都有一个原线圈和二级线圈。

 

 

  无限充电的利与弊 

  无限充电提供给用户基本的便利,在一个电火花就能导致爆炸的高危环境中,它也可以进行安全充电。甚至在油脂、灰尘和腐蚀介质等防电接触的环境中,它依然可以充电。此外。非接触还可以帮助医生给手术工具消毒。无线充电持久耐用并且不需要多端连线。

  一辆电动车司机只需将车停到发射线圈旁就能进行充电,工程师们准备将充电线圈嵌入到高速公路上,以便在行驶和等信号灯时进行连续式充电,这个想法在技术上是可行的,但高功率传输时,在耗资、效率和场致发射等问题上仍是一个不可逾越的挑战。

  对于家庭和商业用途,美国加州能源委员会提出五级要求,即交流充电器必须满足85%的最低效率,美国“能源之星”计划的五级要求为87%(欧洲标准以欧洲委员会作为制定基础)。如果把交流充电器的损耗加到无线充电器上,那么整体效率就会下降到只有感应充电传输效率的75%-80%。这样的损耗加起来相当于世界上约有十亿台手机充电器与交流插座相接。   

  最新型的无线电力传输 (WPT)结合了交流转直流和交流分流技术。这一结合相比“能源之星”的标准,效率大为提升。

  能源损耗转化成热能,无线充电在充电过程中也会产生相当的热量,如果产热没有得到合理的控制,温度就会升高,充电电池将受压而减少使用寿命。应当注意的是,热量只在充电过程中产生,一旦电池充满,充电板就会冷却下来。

  WPC(无线充电联盟)出台释放时非常谨慎,第一个版本设置了5瓦的功率极限,现在提升到120瓦的中等功率正在服役当中,但是在释放前必须符合严格的辐射标准。辐射会引发健康问题,而这些辐射往往都是从人们生活中手机基站和无线电台产生的。这可能是由于当前正处在制定中功率标准的延迟中心阶段,但具有互操作性和相容性的5W系统也起了一定作用。

  无线电铁塔、移动手机、无线网和现在的无线充电,我们将它们辐射出的电磁能归为非电离辐射,而且认为是无害的。而另一方面,从X射线中发出的电离辐射已被证实是致癌的。随着非电离设备数量的增加,人们也开始质疑它的安全性了。监管当局正在调查评估健康风险,一旦认定有危险,将施加限制。

  如果有的话,比较突出的危险就是随身携带的手机。该设备在待机模式时不断与信号塔传输信号,此时传输功率会调整到与信号塔相接近,并且在偏远地区传输功率会更高。

  将无线充电站扩大25%,成本将提高,同时接收器的花费也将提升差不多的水平。如果没有那么多的日常应用程序,这个价格应该会大幅降低。所以,目前通过电池与电线接触式的充电方式仍然是一个实用的选择。无线充电并不像无线通讯那样进行微小级别的电力传输,它在空气中发传送电力,传导损耗造成多余的热能和辐射。

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