無(wú)線能量傳輸，線圈作為主要構(gòu)成

　　1. 介紹

　　雖然無(wú)線能量傳輸?shù)募夹g(shù)原理已經(jīng)有超過(guò)120年的歷史， 為什么到現(xiàn)在才顯現(xiàn)重要性？ 在過(guò)去的兩年中，智能手機(jī)與平板電腦的使用者行為已經(jīng)顯著改變。人們不斷地發(fā)送郵件，短消息，發(fā)布信息至社交網(wǎng)絡(luò)以及進(jìn)行在線游戲。很少能有普通用戶使用一塊電池板堅(jiān)持一天，這是由于巨大的顯示屏，快速處理器以及高清圖像消耗大量的電量。公共無(wú)線充電基站則是這一問(wèn)題的實(shí)用解決方案。 例如，用戶只要將智能手機(jī)放置于配置無(wú)線充電器的餐廳桌面上，就可輕松充電。為了達(dá)到成功的用戶體驗(yàn)，充電器必須方便實(shí)用、快速高效，然而更重要的是其性能必須可與傳統(tǒng)的有線充電器媲美。

　　一旦由消費(fèi)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和需求所推動(dòng)的技術(shù)成熟確立， 在其他領(lǐng)域?qū)?huì)顯現(xiàn)許多新的不同應(yīng)用。 例如，在醫(yī)療領(lǐng)域，充電器接頭，如插頭或者插座很容易受到液體消毒劑的腐蝕。然而使用整體無(wú)線充電技術(shù)，醫(yī)療器械可以完全被密封以防止污染和腐蝕。 此外，在灰塵、粉塵或者易燃材料的工業(yè)環(huán)境中，無(wú)線電源可以消除與充電接觸相關(guān)的許多風(fēng)險(xiǎn)和質(zhì)量控制問(wèn)題。

　　2. 三大主流標(biāo)準(zhǔn)

　　這些解決方案的成功無(wú)疑是取決于無(wú)論是發(fā)射器還是接收器都遵循標(biāo)準(zhǔn)兼容協(xié)議。因此，無(wú)論制造商是哪一家，一旦確定裝備可以在所有兼容站得到充電，那么這項(xiàng)技術(shù)就會(huì)變得流行。所以，理解市場(chǎng)上標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議以及支持技術(shù)至關(guān)重要。

　　2.1. 無(wú)線充電聯(lián)盟 （WPC）發(fā)布緊密耦合的Qi標(biāo)準(zhǔn)

　　? 通過(guò)感性耦合器進(jìn)行短距離能量傳輸—通常是在毫米范圍距離內(nèi)

　　? 發(fā)射器（Tx） 和接收器 （Rx） 是通過(guò)磁場(chǎng)耦合的線圈。

　　? 磁場(chǎng)聚集在發(fā)射器和接收器線圈之間的小區(qū)域范圍之內(nèi)

　　? 單一發(fā)射器每次只能向一個(gè)接收器提供能量

　　? 接收到的不同功率水平可達(dá)5至15W，計(jì)劃發(fā)展到2.5KW高功率

　　? 頻率范圍在100 到 205 千赫之間

　　? 線圈的形狀規(guī)格由鐵氧體繞線或者電路板上印刷線圈組成

　　? Qi是目前市場(chǎng)上最成熟的解決方案，在超過(guò)230種設(shè)備上得以批準(zhǔn)使用

　　? 獲批設(shè)備的銷(xiāo)售數(shù)量在全球范圍內(nèi)已達(dá)一千六百萬(wàn)臺(tái)

　　2.2. 無(wú)線電力聯(lián)盟（A4WP）推出的松散耦合（LC）無(wú)線電力傳輸標(biāo)準(zhǔn)（磁共振） ? 發(fā)射線圈在與接受線圈相同的振動(dòng)頻率下傳輸能量。接收器被調(diào)整到共振頻率以高效接收能量。這種現(xiàn)象稱(chēng)之為磁共振。

　　? 可遠(yuǎn)距離工作 – 通常50毫米范圍

　　? 接收器無(wú)需精確對(duì)位 – 垂直或者水平放置不重要。

　　? 單一發(fā)射器可以對(duì)多個(gè)接收器同時(shí)充電。

　　? 可為智能手機(jī)和平板電腦提供電力，目前電力為最大22W

　　? 充電頻率范圍為6.78 兆赫（ISM 頻率范圍）， 2.4 吉赫通信 （低功耗藍(lán)牙）

　　? 數(shù)據(jù)傳輸頻率范圍為2.4 吉赫 （低功耗藍(lán)牙）

　　? 標(biāo)準(zhǔn)還未通過(guò)，市場(chǎng)上還無(wú)商業(yè)化產(chǎn)品。

　　? 與WPC或者PMA不兼容

　　2.3. 電力事業(yè)聯(lián)盟 （PMA）

　　? 與WPC相似的解決方案 – 短距離感應(yīng)耦合

　　? 某些充電器或者充電適配器可與PMA和WPC裝置相兼容 – 如智能手機(jī)，但是這并不意味著標(biāo)準(zhǔn)使用完全相同的技術(shù)。

　　? PMA 解決方案使用不同的協(xié)議，并且傳輸頻率范圍超過(guò)WPC。

　　? 協(xié)議屬性與頻率范圍僅對(duì)PMA 成員有效

　　? 與WPC或者A4WP不直接兼容

　　諸如IDT和TI等一些半導(dǎo)體制造商都嘗試提供可與WPC（Qi）和PMA標(biāo)準(zhǔn)兼容的芯片解決方案。 這些芯片可以識(shí)別線圈種類(lèi)以及發(fā)射器或者接收器旁的收發(fā)器，并且傳輸能量可以在Qi或者PMA頻率之間進(jìn)行調(diào)整。

　　目前，這些標(biāo)準(zhǔn)由消費(fèi)市場(chǎng)主導(dǎo)，并且局限于20W的解決方案。只有WPC提出過(guò)最大達(dá)到2.4kW，適用于例如無(wú)線廚房裝置的應(yīng)用。一旦200W，800W以及2.4kW建議規(guī)格得以明確，這些解決方案就不僅僅局限于廚房裝置，還可用工業(yè)、醫(yī)療和消費(fèi)市場(chǎng)的廣泛應(yīng)用。

　　除此之外，還有大量具有特定額定功率的定制化解決方案。主要的應(yīng)用領(lǐng)域在于工業(yè)設(shè)備以及大型蓄電池充電。這些大多是小批量或中等生產(chǎn)量的感應(yīng)解決方案，他們之間不可兼容，并且還需要他們自己獨(dú)特的批準(zhǔn)和認(rèn)證。該文件沒(méi)有探討于專(zhuān)門(mén)用于汽車(chē)工業(yè)的電動(dòng)汽車(chē)充電解決方案。

　　3. Qi 系統(tǒng)

　　WPC Qi標(biāo)準(zhǔn)是怎樣的體系？小功率解決方案由發(fā)射器向接收線圈提供5W的電力。發(fā)射器與接收器之間通過(guò)特別的電力管理協(xié)議（圖１）進(jìn)行通信。在線圈間傳遞的電力頻率范圍為100至205千赫。接收器向發(fā)射器要求需要的能量，而發(fā)射器根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)整。電力管理系統(tǒng)監(jiān)控和改變能量傳輸。如果接收器不再需要能量，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入待機(jī)模式。半導(dǎo)體制造商提供設(shè)計(jì)者評(píng)估工具以及參考設(shè)計(jì)。比如說(shuō)，這張圖德州儀器提供的bq500211AEVM-210發(fā)射器電路板上有Würth Elektronik （760 308 111）的發(fā)射器線圈。

　　圖1： WPC Qi 標(biāo)準(zhǔn)的原理

　　來(lái)源： 2012無(wú)線電力聯(lián)盟

　　發(fā)射器與接收器線圈的屬性對(duì)于達(dá)成低功率傳輸損耗至關(guān)重要。發(fā)射器與接收器線圈正確的選擇與對(duì)齊是影響能量傳輸效率的主要因素。

　　圖 2： 德州儀器（TI）提供的發(fā)射器電路板 bq500211AEVM-210

　　來(lái)源： Würth Elektronik　照片

　　圖3： 根據(jù)WPC Qi 標(biāo)準(zhǔn)選擇的發(fā)射器和接收器線圈

　　來(lái)源： Würth Elektronik

　　4. 線圈的主要因素

　　決定低能量傳輸損耗最佳解決方案的系列關(guān)鍵因素。

　　4.1. 線圈的放置

　　發(fā)射器與接收器線圈需要準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)以最小化損耗。側(cè)面，傾斜和豎直錯(cuò)位尤為不利于能量傳輸。 （圖。 4）.

　　圖4： 發(fā)射器與接收器線圈錯(cuò)位的類(lèi)型

　　來(lái)源： 無(wú)線資源控制（RRC）電力解決方案的陳述

　　良好的耦合與最大能量傳輸取決于在發(fā)射器線圈磁場(chǎng)中接收器線圈有效范圍的大小。另外，它還取決于z距離。如果接收器線圈與發(fā)射器線圈中心對(duì)位，并且沒(méi)有傾斜、Z距離盡可能的小，那么傳輸損耗就有可能是最小的?！D一的耦合因素是最理想化的。這就意味著接收和發(fā)射線圈的傳輸?shù)挠行^(qū)域是相等的。

　　4.2. 耦合系數(shù)

　　為了補(bǔ)救錯(cuò)位損耗，設(shè)計(jì)具有高品質(zhì)因素和耦合系數(shù)的線圈非常重要。 在傳輸和接收線圈間的耦合系數(shù)由以下參數(shù)組成：

　　L1 和L2是線圈的自感系數(shù)。M為線圈間的互感系數(shù)。 線圈的品質(zhì)因素取決于電阻損失RL和電抗XL

　　鐵氧體板上的空心線圈具有100到300間的典型品質(zhì)因素。線圈電阻和導(dǎo)線歐姆電阻受多種因素影響。

　　4.3. 趨膚效應(yīng)

　　導(dǎo)體內(nèi)部電流分布從中心到表面流動(dòng)的現(xiàn)象稱(chēng)為趨膚效應(yīng)。這種現(xiàn)象發(fā)生于帶有交流電的導(dǎo)體中。趨膚效應(yīng)取決于交流電的頻率。當(dāng)交流電的頻率上升，則聚集在導(dǎo)體表面的電流密度增加。因此，高頻交流電轉(zhuǎn)移或者“迫使”電流靠近表面處。在這種情況下，導(dǎo)體中心的電流密度比表面低。趨膚深度δ可通過(guò)下列公式描述：

　　ρ 電阻系數(shù)

　　ω 角頻率

　　μ 磁導(dǎo)率?。╡.g.： 100）

　　趨膚深度測(cè)量方法是由導(dǎo)體表面到達(dá)的徑向深度，50赫茲頻率的穿透深度大約在10.4 毫米， 10 千赫在 0.73 毫米 ， 100 千赫在 0.23毫米?！倪@些計(jì)算中可以證明趨膚效應(yīng)使導(dǎo)體中通過(guò)電流時(shí)有效截面積減小，從而使有效電阻變大。高電阻意味著高功率損耗。

　　在傳輸和接收器線圈中通過(guò)使用高頻導(dǎo)線，趨膚效應(yīng)能耗損失可顯著減少。高頻率導(dǎo)線由兩股或者多股小截面導(dǎo)線組成的導(dǎo)線束構(gòu)成。導(dǎo)線束中的每根導(dǎo)線都負(fù)責(zé)總電流的一部分。這可以幫助趨膚效應(yīng)最小化，因而更多能量可以得到有效使用。

　　4.4. 鄰近效應(yīng)

　　另一個(gè)影響線圈能耗損失的因素是鄰近效應(yīng)。鄰近效應(yīng)導(dǎo)致導(dǎo)體在相鄰側(cè)電流集中或者轉(zhuǎn)移電流，從而使導(dǎo)體都產(chǎn)生漏磁。多股線結(jié)構(gòu)、繞線技術(shù)以及導(dǎo)線絕緣結(jié)構(gòu)可以減少線圈中無(wú)用的渦流。

　　4.5. 損耗系數(shù)

　　無(wú)線能量傳輸受限于系統(tǒng)中的功率損耗系數(shù)。損耗系數(shù)公式為：

　　這個(gè)系數(shù)體現(xiàn)了所轉(zhuǎn)化能量相關(guān)的所有損耗總合與傳輸能量數(shù)量之比值。 主要目的是盡可能的最小化系統(tǒng)的損耗系數(shù)。一旦發(fā)射器和接收器線圈配置得以?xún)?yōu)化，就可取得最小的損耗系數(shù)。然而，一般來(lái)說(shuō)，損耗系數(shù)從本質(zhì)上還是受系統(tǒng)品質(zhì)因素和耦合系數(shù)的影響。

　　方程式顯示產(chǎn)品的品質(zhì)因素與耦合因素可作為判斷系統(tǒng)品質(zhì)系數(shù)（優(yōu)值系數(shù)， FOM）的指標(biāo)。較低的損耗因素，如因?yàn)榈偷鸟詈舷禂?shù)而造成，可以通過(guò)提高線圈的品質(zhì)因素實(shí)現(xiàn)線性補(bǔ)償?！。▓D5）

　　圖5：　損耗系數(shù)與優(yōu)值系數(shù)的關(guān)系圖

　　來(lái)源： 無(wú)線充電聯(lián)盟2012年

　　4.6. 磁場(chǎng)分布

　　另外一個(gè)對(duì)線圈效率產(chǎn)生影響的要素是磁場(chǎng)特性。磁場(chǎng)特性決定了對(duì)周?chē)牟槐匾椛?。而?duì)周?chē)牟槐匾椛溆謱?duì)系統(tǒng)效率有顯著影響。

　　圖6　顯示在最佳耦合狀態(tài)之下，傳輸和接收線圈的磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁通密度

　　圖6： 特氧體電感耦合線圈磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁通密度的模擬圖

　　來(lái)源： Würth Elektronik

　　顯而易見(jiàn)，磁場(chǎng)被選擇性地限制在線圈間的空間。實(shí)際上對(duì)周?chē)o(wú)影響。磁通密度的模擬圖顯示了鐵氧體平板的影響。磁通量集中在鐵氧體內(nèi)。圖7顯示了傳輸線圈和接收線圈側(cè)面錯(cuò)位（28%）情況下，磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁通密度

　　圖7：

　　來(lái)源： Würth Elektronik

　　由于這個(gè)錯(cuò)位，磁場(chǎng)以及磁通量主要被限制在兩個(gè)線圈的整體結(jié)構(gòu)中。Z方向上沒(méi)有磁場(chǎng)的增加?？梢酝茢喑鐾ㄟ^(guò)使用合適的鐵氧體屏蔽，電感耦合中的磁場(chǎng)被限制在線圈間的區(qū)域，因此，不需要額外的屏蔽裝置。

　　除此之外，Qi 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)則避免線圈錯(cuò)位所產(chǎn)生的巨大損耗。例如，當(dāng)連接的能量傳輸效率將至低于70%，電力管理系統(tǒng)就會(huì)中止傳輸。只有在能量傳輸效率大于70％的線圈對(duì)位情況下，才能開(kāi)始能量傳輸。

　　另外， WPC Qi標(biāo)準(zhǔn)還詳細(xì)規(guī)定了傳輸線圈的幾何形狀以及材料。由于諸如傳輸線圈，電力管理系統(tǒng)和芯片等組件必須遵守標(biāo)準(zhǔn)，因此整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同工作能力得以保障。裝置的Qi認(rèn)證包括了獨(dú)立測(cè)試實(shí)驗(yàn)室核查新產(chǎn)品與之前認(rèn)證裝備的協(xié)同工作能力。

　　目前Qi標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于傳輸線圈有22個(gè)不同的設(shè)計(jì)規(guī)定。這些設(shè)計(jì)被分為兩種規(guī)格。一種是包含有鐵氧體纏繞線圈的設(shè)計(jì)。另外一種規(guī)格則由印刷有線圈的電路板或者混合解決方案。在每個(gè)規(guī)格中，線圈的分類(lèi)取決于線圈數(shù)量（單一、排列）、尺寸、形狀、電壓和控制機(jī)制的種類(lèi)（電壓、負(fù)載、頻率）。還有具有中心永久磁鐵的線圈設(shè)計(jì)。永久磁鐵意圖將輕薄型的接收器自動(dòng)與傳輸線圈中心對(duì)位。這種對(duì)位方式的缺點(diǎn)在于：線圈磁場(chǎng)中的永久磁鐵嚴(yán)重影響系統(tǒng)的品質(zhì)因素，這是由于在磁鐵內(nèi)部有渦流產(chǎn)生。而這些電流消耗有用的能量。

　　4.7. 標(biāo)準(zhǔn)線圈的改進(jìn)和優(yōu)化

　　可以通過(guò)使用高質(zhì)量材料，設(shè)計(jì)高效的絕緣線束并且優(yōu)化繞線技術(shù)以最小化線圈的寄生電阻。 這些方面的改進(jìn)從根本上提升了系統(tǒng)的品質(zhì)因素。 如此有效的線圈為工業(yè)或者醫(yī)療應(yīng)用帶來(lái)更好的性能。Würth Elektronik 提供的各類(lèi)傳輸和接收線圈滿足Qi要求，具有低直流電阻（RDC）和高品質(zhì)因素。

　　5. 總結(jié)

　　當(dāng)遵守明確定義的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，無(wú)線能量傳輸是最有效的。特別是在Qi標(biāo)準(zhǔn)里有對(duì)線圈能量傳輸產(chǎn)生積極影響的多種方法。 最佳線圈的選擇，謹(jǐn)慎的系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及清晰指導(dǎo)用戶怎樣在傳輸站放置裝備的使用指南可賦予設(shè)備制造商的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。 從標(biāo)準(zhǔn)化主體來(lái)看， 更好的優(yōu)化組合定義正在進(jìn)行中，這將引領(lǐng)下一代系統(tǒng)性能改善。

　　然而， 傳輸和接收線圈在無(wú)線傳輸中還是關(guān)鍵組件，是整個(gè)系統(tǒng)效率的根本。

　　6. 文獻(xiàn)

　　無(wú)線電力聯(lián)盟： http://www.a4wp.org/technology.html

　　Elektroniknet.de： Peter Wambsgan? and Prof. Dr.-Ing. Nejila Parspour HF Feld的電源 （德國(guó)） http://www.elektroniknet.de/power/power-management/artikel/1644/1/

　　電力事業(yè)聯(lián)盟： http://www.powermatters.org/

　　RRC 電力解決方案： 研討會(huì)：　 電感能量傳輸?shù)幕A(chǔ)原理， Qi 標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)解決方案2012

　　德州儀器評(píng)估工具： http://www.ti.com/ww/en/analog/wireless_power_solutions/tools.htm

　　無(wú)線電力聯(lián)盟： www.wirelesspowerconsortium.com/technology

　　Würth Elektronik： 電感遠(yuǎn)見(jiàn)的三部曲，2008

　　Würth Elektronik： 數(shù)據(jù)表760308111， 760308201， 760308106

　　Würth Elektronik： 無(wú)線電力線圈： http://katalog.we-online.de/de/pbs/WE-WPCC