传输效率达 90% ,无线充电技术新突破,可自动调整充电方向

2021/7/29 23:15:52 来源:智东西 作者:杨 畅 责编:骑士

智东西 7 月 29 日消息,据美国媒体 Tech Xplore 报道,近日,芬兰阿尔托大学(Aalto University)研究人员设计了一种新型无线充电系统,可以同时给多个设备充电。

研究人员通过对无线充电系统中发射器的核心部分:天线线圈进行设计,来实现无线充电系统不需要先定位需充电设备,直接就能充电,还可以在设备移动时,自动调节充电方向。

该研究论文题目为《使用双环形螺旋线圈的自调谐全向无线电力传输(Self-tuning Omnidirectional Wireless Power Transfer using Double Toroidal Helix Coils)》,于 7 月 21 日发表在 IEEE Transactions on Industrial Electronics 上。

论文链接:

https://ieeexplore.ieee.org/document/9492820/authors#authors

01. 原有无线充电先检测需充电设备及其位置

人们身处各地都能依靠手机和平板电脑保持联系,但是这些设备仍然需要通过插头、插座和充电板来充电。

世界各地的研究人员都在致力于研究自由位置(free-position)无线充电,可以让智能设备摆脱充电线的限制。目前最常见无线充电解决方案中都包含一些复杂的控制和检测功能。

比如充电系统的能量发射器,通常需要先检测到需要充电设备及其位置,才能确定向设备发送能量的方向,该功能一般是依靠摄像头或传感器来实现,这会增加发射器的体积和成本。

阿尔托大学研究人员新设计了一种基于特殊双螺旋线圈的全向无线能量传输系统(WPT),通过在各个方向上创建功率传输通道,来实现不再需要在发射器上装摄像头或传感器。当需要充电的设备在移动时,该无线充电系统自动调整充电通道。

像手机、笔记本电脑和其他新配备无线充电接收器的设备可以一边接收能量,一边为其电池充电或者直接为设备上应用供能,无需将设备和充电系统进行接触或者将设备放到特定位置。

02. 特殊方式缠绕线圈产生 2 种磁场

阿尔托大学的博士后研究员 Prasad Jayathurathnage 解释道:“这个发射器的不同之处在于它是自调谐的,这意味着你不需要复杂的电子设备,来连接嵌入设备中的接收器。因为它可以自我调节充电通道,你也可以在该无线充电系统可以达到的充电范围内自由移动那些需要充电的设备。”

该研究团队通过设计发射器中使用的线圈天线实现上述效果。线圈天线是缠绕在环面上的,其结构是双螺旋结构,它们会产生两个电磁场:一个是环形的,被限制在环面内;一个是极向的,分布在环面以外。

这两个电磁场的强度可以通过调节线圈的形状来增强。

无线充电系统通过电磁场传递能量。但是需要对接收器和发射器进行耦合配对。

电磁场耦合系数是研究人员确定的,无论接收器的位置和方向如何,都可以保证高效率,并且可以自动调谐。

这依靠于充电系统的拓扑结构,自调节实现需要使发射器和接收器之间耦合最小化,然后利用中继器实现充电方向的调整,这时需要保持发射器和中继器之间,接收器和中继器之间有较强的耦合。

该系统包含三对互相正交的发射器和中继器组合,保证实现全向充电。

▲ 新型无线充电发射器设备及其组件

03. 20cm 内传输效率高达 90%

目前,这种发射器在 20cm 距离内能量传输效率为 90%,更远的距离也能工作,只是能量传输效率较低。原则上,发射器能量传输能保持峰值距离范围会随着技术的不断完善而得到扩大。

Jayathurathnage 说:“目前,能保持 90% 效率的最远距离是多少,取决于发射器和接收器的大小。通过正确的工程技术,我们可以让发射器和接收器变得更小。”

虽然该研究团队已经证明了这一设计概念,但仍然需要进行安全测试,以确认发射器产生的电磁场对人体无害。很明显由于该技术依赖磁场,而被认为是有潜在有害影响主要原因的电场处于最小限度。

一旦该设计被认为是安全的,然后被应用到产品中,将方便很多人。

Jayathurathnage 指出:“真正的无线充电意味着更多的个人自由,这样人们就不用担心把手机放在哪充电了,也不用担心有没有忘记插上电源。”

该研究团队已经为发射器申请了专利,还通过芬兰 Parkzia 项目开发了可能用于工业领域的无线充电设备。

04. 结语:无线充电方便人们生活

无线充电目的是让智能设备摆脱充电线限制,减少人们使用智能设备受到电量不足因素的影响。

目前除了科研人员在研究无线充电之外,不少手机厂商也开始开发自己的无线充电方案,比如小米、OPPO 等。随着各种新型无线充电方案落地,人们的生活将更加方便。

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关键词:无线充电线圈

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