无线充电技术如何改变工业解决方案

作者：Nilav Choksi

无线感应充电的工作原理是，在一定距离内在感应发射器和接收器线圈上产生电磁场，而无需任何电缆连接。到2027年，全球无线充电市场规模预计将达到402.4亿美元，从2020年到2027年的复合年增长率为22.2%。

该技术的主要目的是以更高的效率为工业设备、个人电子设备、家用电器和便携式设备无线充电，无需任何电缆。与其主要目标相反，无线感应充电在没有电缆的情况下无法完全工作，当它不通过电池供电时。充电站/发射器仍将通过电源线与主电源插座连接，并在没有电池时保持持续连接。但是像智能手机这样的小型个人电子产品可以无线充电。它必须放置在无线站/发射器附近。充电站/发射器包含一个线圈，交流电（交流电）通过该线圈流向个人小工具的接收器线圈，并且该电产生电磁场。当智能手机等小型个人电子产品在此电磁场区域内充电时。

在工业中采用无线充电技术的优势

最近，无线感应充电正迅速从理论发展到商业和工业产品的标准功能，尤其是智能手机、耳塞/AirPods、手表等消费电子设备，以最大限度地减少有线充电要求并接受通用无线解决方案，使用单站/发射器为所有电子产品个人小工具充电并提高友好性。减少电子废物以支持通用解决方案，如Qi（Chee）标准，并且可以最大限度地减少充电器对不同设备的特定要求。由于接收器按需发出功率请求，它更加灵活和节能，并且可以在发射器端相应地设置功率传输限制，以实现所需的功率传输。它还增加了电池供电和有线设备的灵活性，以避免更昂贵、更危险和不可行的选择。

无线充电技术的缺点

无线充电的唯一缺点是它比有线充电器产生更多的热量，并且还需要放置特殊的机械成型/腔体。

让我们谈谈无线感应充电技术的当前趋势基础

无线充电技术的成熟正在朝着两大方向发展：基于射频的充电和基于耦合的充电。为了安全和全球感应无线技术支持，主要形成了两个标准来支持无线充电：Qi – 由无线充电联盟 （WPC） 标准、Airfuel – 由合并的 PMA – 由功率物质联盟和 A4WP – 由无线充电联盟 （A4WP） 标准。

图-2：组织定义标准

电感耦合功率传输还能够支持千瓦级以上的高功率传输，因此广泛用于机器人操纵、自动水下航行器、感应发电机和电机等工业自动化。为了给包括插电式混合动力电动汽车（PHEV）在内的电动汽车（EV）的电池供电，整体效率在80-90%以上，功率为1至10KW，距离小于厘米。中低功率近场充电（功率范围从几瓦到几十瓦）广泛用于医疗设置和家用电器，如感应牙刷、电视、照明墙壁开关等，以及小型个人电子产品便携式设备。最近，更多的应用涉及油井、海上能量收集、煤矿、电动自行车、传感器、可穿戴设备、植入式系统、RFID、发光二极管 （LED）显示器、电力线通信和智能电网。

在这两种无线充电技术中，如今，基于耦合的充电，尤其是感应充电，由于易于和低成本的实施，更低的功率，更低的频率，更高的效率以及消费者对RF指令的安全问题，因此在当今时代得到了广泛的应用。

磁感应和磁共振耦合这两种技术在近场上工作，其中产生的电磁场命令靠近散射物体/发射器的区域。近场功率根据充电距离倒数的立方衰减。

电感耦合

它的工作原理是磁场感应的基本原理，在两个线圈之间传递电能

功率传输是由于初级线圈穿过次级接收器线圈产生的不同电磁场，并在场内感应电流/电压，通常小于波长。该感应电压可用于为无线设备充电

电感耦合的工作频率通常在千赫兹范围内，范围为110KHz至205KHz。次级线圈应在工作频率下调谐，以提高充电效率

由于功率衰减越高，质量因数通常较小，因此有效充电距离小于20cm。例如 – RFID 和电动汽车的整体有效功率可以达到更高的 KW

磁感应耦合的优点包括易于实施、操作方便、近距离效率更高（小于线圈直径）和确保安全。因此，它在小型个人和便携式电子设备中很受欢迎

个人电子产品和便携式设备的市场更关注WPC形成的内部接受的Qi标准。Qi标准主要侧重于磁感应功率传输，支持单个站为所有个人设备充电，数字带内链路用于识别兼容设备和控制功率水平。

图-3：磁感应功率传输WPC Qi

磁共振耦合

它的工作原理是消逝波耦合的基本原理，通过振荡磁场在两个谐振线圈之间产生和传输能量

它可以实现高能量传输效率，向外非共振泄漏小

该技术可以应用于一个发射谐振器和多个接收器谐振器之间。因此，它能够以更高的品质因数对在MHz频率范围内运行的多个设备进行并发充电

尽管如此，Airfuel的磁共振功率传输也集中在工作频率为6.78MHz的行业中，单个功率传输单元可以供电到多个功率接收单元。BLE链路用于识别兼容设备和控制功率水平.