锂电池无线充电技术及工作原理

来源：锂电池厂家作者：锂电池厂家发布时间：2020-05-28 18:39:52 阅读数:1132

自19世纪末以来，无线充电就已经存在，当时电力科技先驱尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）展示了磁谐振耦合——在两个电路（发射器和接收器）之间产生磁场，通过空气传输电的能力。

随着苹果公司最终将原生无线充电技术引入其iPhone产品阵容，该技术将在消费者和企业内部被广泛采用。

如今，正在采用近六种无线充电技术，所有这些技术都旨在切断从智能手机和笔记本电脑到电动汽车的所有设备的电缆。

锂电池无线充电正在推动医疗保健，汽车和制造业的发展，因为它带来了增加移动性和发展的希望，这些进步可以使小型的物联网（IoT）设备从充电器获得数尺远的电力。

用于Ossia的Cota RF技术的无线充电电路板

现阶段流行的无线技术采用2个铜电磁线圈之间的磁场，这样的技术有个短板，极大的限制了充电装置和充电板之间的距离。这就是Apple已将其纳入iPhoneX的充电类型。

锂电池无线充电如何工作

广义上讲，无线充电分为三种。有些充电板采用紧密耦合的电磁感应或非辐射充电；采用松散耦合或辐射电磁谐振充电的充电碗或直通型充电器，该电荷能够传输几厘米的电荷；以及非耦合射频（RF）无线充电功能，能够在几尺远的距离上实现a流充电功能。

紧密耦合的感应充电和松散耦合的谐振充电均基于相同的物理原理进行操作：随时间变化的磁场在导线的闭环中感应出电流。

宜家的无线充电器产品系列包括一个可同时为三个设备充电的垫子

它的工作方式如下：磁环形天线（铜电磁线圈）用于产生振荡磁场，该磁场能够在一个或多个接收器天线中产生电流。如果添加适当的电容使环路以相同的频率谐振，则接收器中的感应电流将增加。这是共振感应充电或磁共振。它能够在发射器和接收器之间更远的距离上传输功率，并提高效率。电磁线圈尺寸也会影响功率传输的距离，电磁线圈越大，或电磁线圈数越多，电荷能够传播的距离越远。

例如，在智能通过手机进行无线充电板的情况下，铜电磁线圈的直径只有几寸，这严重影响限制了电源的有效信息传输安全距离。

当电磁线圈较大时，能够无线传输更多的能量。这就是十年前由麻省理工学院的研究组建的无线电力（WiTricity）公司的策略。它为从汽车，风力涡轮机到智能机器人技术的所有产品提供了松耦合谐振技术。

麻省理工学院物理学教授马林·索利亚奇（MarinSoljačić）于2007年证明，他可以在两米的距离内传输电能。当时，在该距离处的功率传递效率仅为40％，这意味着60％的功率在传递中损失了。索利亚奇于当年晚些时候启动了WiTricity，以将该技术商业化，此后，其功率传输效率得到了极大的提高。

在WiTricity的车载充电系統中，大型铜电磁线圈（接受器的直径超过25厘米）可实现长达25厘米的有效功率传输。WiTricity首席技术官莫里斯·凯斯勒（MorrisKesler）认为，谐振的使用可传输高水平的功率（高达11kW）和高效率（端对端大于92％）。WiTricity还向传导环路添加了电容器，从而增加了可捕获并用作为电池充电的能量。

该系統不仅用作轿车：上年，日本地区的智能机器人生产商DaihenCorp.开始发售依托于WiTricity技术的自动导引车（AGV）无线功率传输系統。配备了Daihen的D-Broad无线充电系統的AGV可以简单地上拉至充电区域以启动电源，然后执行其仓库职责。

虽然远距离充电具有巨大的潜力，但到目前为止，锂电无线充电的公众面貌仍保留在充电垫上。

锂电池无线充电市场预测

从进步和行业发展来看，充电垫自2015年以来就开始大量销售；充电碗/直通型今年才真正推出；整个房间的充电距离商业高点至少还有一年的时间，体积的现实，尽管新的Energous产品显示此方法目前可在非常短的范围内工作，例如几厘米。

2016和发货的无线充电设备200个多万台，其中几乎所有的设备都使用某种形式的感应的（充电板）型设计。

9月，苹果在拥抱WPC的Qi标准方面落后于别的手机制造商多年之后，终于选择了一方，三星和别的Android智能手机生产商已经使用了至少两年。

第一种移动设备无线充电出现在大约六年前。他们使用了紧密耦合或感应充电，这要求用户将智能手机放在平板上的正确位置才能充电。

锂电池无线充电器示意图
Belkin的BoosUp无线充电板与别的充电板相似，它包括一个铜发射器充电，一个芯片组（用作控制传递给设备的功率）以及异物检测技术。

贝尔金的BoosUp无线充电板与别的充电板相似，它包括一个铜发射器充电，一个芯片组（用作控制传递给设备的功率）以及异物检测技术，以确保不应接收电荷的物体不会被充电。

Nokia920于2012年9月，提供了第一款依托于Qi规格的内置无线充电功能的商用智能手机。

无线充电规范之争

几年来，有三个竞争的无线充电标准组致力于磁感应和谐振充电规范：无线电源联盟（A4WP），电源事项联盟（PMA）和无线充电联盟（WPC）。后者的成员包括苹果，谷歌，Verizon和一位名副其实的电子制造商名人录，一共拥有296名。

WPC创建了一个流行的无线网充电技术标准——Qi，该标准开展适用磁感应或垫式充电方法以及学生短距（1.5cm或更小）电磁谐振磁感应充电。目前苹果公司正在应用Qi标准。

Apple Watch
AppleWatch于15年发布，应用磁感应无线充电线

PMA和Powermat的磁感应充电规范，并根据无线充电技术在咖啡店和机场试用成功。例如，星巴克于2014年开始不断发布一个无线充电板。

在竞争标准的适用下，对移动设备的适用仍然支离破碎，大多数移动设备都需要适应性的情况才能实现无线充电。

A4WP和PMA在15年决定成立一个联合航空燃料联盟，目前有110个成员，包括戴尔、金、三星和高通。

星巴克推出基于Powermat规范的无线充电
2014年，星巴克宣布在美国近8000家咖啡店推出基于Powermat规范的无线充电

由于空气燃料联盟的部分，金霸王Powermat的声称它已在美国超出一千五百个充电站，根据PowerKiss欧洲机场，酒店和超出1000个充电站的咖啡馆合作伙伴的Powermat。AirFuel还宣布在麦当劳的一些学生餐厅可以开展分析无线充电。该Freas说，这是一种方法的无线充电可广泛应用于。

AirFuel致力于两种充电技术：电磁谐振和射频，该技术提供了在空间中移动并仍然为移动设备充电的能力。

“我们已经看到了明确的市场指标，谐振和射频是必经之路。这两种技术在空间自由度，易用性和易安装性方面均具有非常明显优势，这是我们创造中国市场经济价值和客户服务满意度的重要环境因素。”AirFuel发言人SharenSantoski。“我们认为，共振是短期内实现广泛公共基础设施部署的最佳技术。”

结果，桑托斯基说，越来越多的咖啡店，饭店和机场已经部署了基于谐振的无线充电站。桑托斯基说：“台湾和中国都在大力投资。”

空燃比最近宣布与桃园机场地铁站项目，该项目正在以它的火车开展和车站共振充电。家具制造商OrderFurniture创建了具有共振功能的家具新系列。

如果在每家餐厅和咖啡店都拥有它，那么人们将更有可能使用它并在家中充电。Freas说，这些项目中的大多数仍只是试点项目，消费者和企业不太可能希望紧密耦合充电，而更有可能选择松散耦合谐振充电，这是因为松散耦合充电提供了更大的空间自由度-将手机，平板电脑或笔记本放在台式主机上进行充电。

车载WiTricity和无线充电

7月，Dell公布了一款Latitude笔记本，该笔记本融合了WiTricity的共振无线充电功能，该企业位于马萨诸塞州沃特敦，该企业授权最初由麻省理工学院（MIT）开发的技术。Dell无线充电器可提供高达30W的充电功率，因此Latitude笔记本将以与插入墙上插座相同的速率进行充电。

戴尔笔记本电脑

但是无线充电的主要重点是汽车工业。WiTricity首席执行官亚历克斯·格鲁岑（AlexGruzen）表示，该企业隶属于AirFuel联盟，预计许多电动汽车制造商将宣布对其车辆进行无线充电。

该企业的电磁谐振技术允许功率在距充电板约9英寸的距离内传输。这样一来，电动汽车只需将车停在大型充电板上即可充电。

例如，奔驰今年将推出具有使用无线充电技术能力的S550e插电式混合动力轿车。S550e只需停放在垫子上，它们开始充电的效率甚至比插入电源时还要高。

近50种汽车模型在其机舱中提供基于Qi的无线充电

电动汽车的应用是为电磁谐振充电量身定制的。那是因为车辆不需要充电电缆，并且无线充电板比电缆更有效地输送电力。有线充电系统使用电子设备将交流电转换为直流电并调节功率流，从而将效率降低到约86％，凯斯勒说，我们的无线充电从一端到另一端，从墙壁到传送到电池的效率高达93％。

远距离无线充电

17年10月，美国苹果公司收购了无线充电企业PowerByProxi，这使一些业界观察家感到惊讶，这家新西兰企业也开发了基于Qi规格的松耦合谐振充电技术。

PowerbyProxi由实业家FadyMishriki于2007年成立，是奥克兰大学的衍生企业。PowerByProxi展现了充电箱和充电碗，可在这其中能够同时根据放置一个多个系统设备并进行学习充电。

这家酒店在奥克兰开始销售建筑，电信，国防，农业等行业使用的大型系统。一种根据这样的产品是用于风力涡轮机的无线网络控制智能管理系统。

WPC具体指导委员会的成員PowerByProxi还将其技术微型化，并将其放入AA充电电池中，从而无需将技术直接嵌入设备中，无线技术约占AA电池高度的10％。

苹果可以使用PowerByProxi的技术将无线充电的用途扩展到智能手机以外的领域，例如，为电视遥控器，计算机外围设备或需要电池的任何设备充电。

虽然无线充电技术主要的用途是移动设备充电板，但该技术也正在涉足从仓库机器人到微型IoT设备的所有领域，否则这些设备需要通过可更换电池进行接线或供电。

Ossia和Energous早已证实无线充电超出4.5米。Ossia的充电器可以发出高达2瓦的功率，但是随着距离的增加，它的电量会迅速下降。殊不知，依据OssiaCEOMarioObeidat的说法，即使在9米处，可以传输的电量也是“有意义的”，这暗示着对设备进行trick流以维持其电量。

Ossia Cota无线充电系统包括大型圆柱形发射器及接收器

假如你每天在办公室工作8到10个小时，而收到的功率为半瓦或一瓦；它会一直在为你的设备充电。因此，如果要花5个小时才能为该设计充满电，那也很好，因为你一直在那儿。

无线充电的工作方式

Energous和奥斯西亚移动设备充电系统都像无限路由器一样工作，它们发送射频（RF）信号，这些信号可由已启用的可穿戴设备和移动电话接收。无线功率接收器由PCB板形式的小型RF天线，ASIC和软件组成。

使用大小约为4x4mm的多天线管理芯片，Cota功率发送器可以内置到各种尺寸的设备中，从天花板到桌子，书桌，玻璃，电视和汽车仪表板，应有尽有。

我们称其为真正的无线电力。奥贝达特说，我们的技术与市场上的其他产品（例如Qi）之间的区别是，我们可以远程提供有意义的电源。其他技术则需要您将设备放在平板上。因此，有效地，您必须放弃设备才能为其充电。

奥贝达特还声称，Cota充电可以像Wi-Fi路由器一样在墙上穿行。你可以设想在房间内同时为智能手机，平板电脑或智能手表供电的发射机。

奥斯西亚一直在零售货架产品的电子标签上测试其技术。标签可以告诉详细信息或销售产品的顾客，而不将工人的物理标记或更改价格标签。

尽管有些人嘲笑远距离仅传输几瓦功率的想法，但投资者却认真对待了这一想法。例如，总公司位于加利福尼亚州普莱森顿的Energous（AirFuel成员）在2014年上市时筹集了约2500万美元。

Energous的WattUp充电器使用蓝牙手机无线通信网络技术规范。科塔技术，功率WattUp可发送像Ossia是有限的。因而，Energous专注于为中小型企业移动电子产品进行供电，而不是为需要1个更高容量的笔记本电脑或电池系统供电。

MichaelLeabman演试了该企业的无线充电无线路由之一如何在中距离和远距离发送功率
Energous的创始人兼首席技术官Michael Leabman演示了该公司的无线充电路由器之一如何在中距离和远距离发送功率

该Energous说，1个WattUp信号发射器可达到24充电设备，所有这些都可以启用或充电软件控制下禁用。最大功率（4瓦）只能同时传送到四个设备。随着更多“授权”设备进入房间，对每个设备的收费下降。

远距离可以采用通过无线充电的1个企业潜在功能障碍是，Ossia和Energous都没法为支持Qi的设备进行充电。该技术是专有的。

只是开始

Qi和Powermat是一个很好的开始，但是该技术并不是完全无线的。Qi已经开始了有关无线电力的讨论。非常重要的是要让消费者知晓有关可能的事。

通过使用QiPad充电开始，用户可以开始接受无线电源的前提，并很快将需要1个更加灵活，强大的解决方案：远距离供电以及在充电时灵活使用设备的能力。

现在，将近80种汽车模型在其机舱中提供基于Qi的无线充电。根据负责Qi标准的实体无线充电联盟（WPC）的数据，全球有超过5000个公共Qi充电地点。麦当劳（McDonald‘s），万豪（Marriott），宜必思（Ibis）等其他主要品牌已将Qi纳入其物业。伦敦希思罗机场，费城等世界各地的机场都设有Qi充电站。例如Facebook，Google，Deloitte，PwC和Cisco等企业已将Qi纳入其公司办公室。

无线充电的优点：

1.方便：非接触式，相比于许多普通充电充电器插头减少了麻烦，也避免了接口不适用，因而不好，老人也能轻松使用。一台充电器可以对企业多个负载充电，1个中国家庭可以购买一台充电器就可以得到满足全家人使用。

2.通用性：任何制造商的任何设备都可以使用无线充电，只要使用相同的无线充电标准。

3.新颖性，良好的用户体验

4.具有通用规范

主流的无线网充电标准规范有：Qi规范、pMA规范、A4Wp规范。

Qi规范：Qi规范是世界上首个无线充电技术推广的标准化组织-无线充电联盟（WPC，成立于2008年）发布的无线充电规范，它采用电流的磁效应技术是最主流的，以及与通用两大兼容性特点。只要是企业拥有Qi标识的产品，都可以用Qi无线智能充电器进行充电。苹果加入了WPC。

pMA标准：pMA联盟致力于为符合IEEE协会标准的手机和电子设备，打造无线供电标准，在无线充电领域中具有领导地位。pMA也是采用电磁感应原理实现无线充电。目前已经有AT&T、Google和星巴克三家公司加盟了pMA联盟。

A4Wp：AllianceforWirelesspower规范，2012年发布，目标是为包括便携式电子信息产品和电动汽车等在内的电子企业产品进行无线充电设施设备可以设立相关技术发展规范和行业通过对话管理机制。采用电磁共振原理实现无线充电。

无线充电的缺点：

1.工作距离短

大多数当前的无线充电技术近磁场进行充电的无线电子产品的短距离范围内。因为通过无线电能传输的距离越远，功率的耗损也就会影响越大，能量传输技术效率问题就会越低，且会导致企业设备的耗能较高。