Qi无线充电技术系统综述.docx

无线充电的效率电池充电器的能源消耗主要取决于两个方面：充电效率和待机耗电。待机耗电许多人在充电完毕后仍将充电器和底座插在电源上，这会产生大量的待机耗电（也叫“空载耗电”）。通过简单计算可以看出，待机模式下的耗电量几乎等于电池充电时的耗电量。我们假设这些人同样一直将无线电池充电器插在电源上。对此，我们的主要设计目标之一是最大程度地降低待机耗电。我们的确降低了待机耗电量，并演示了一个待机耗电仅0.0001瓦（100微瓦）的系统。值得一提的是，该耗电量可能还有进一步降低的空间。充电效率影响耗电量的另一个因素是充电效率。我们的无线充电器与有线充电器的组件相同（交流转直流电源适配器连同充电电子产品），但通过无线连接取代了电源适配器与手机之间的铜线。无线连接的效率不及无可比拟的铜线，但经过精心设计，无线连接至少能达到70%的传输效率。此外，若制造商愿加大对高质量组件的投入，则能进一步提高无线连接的效率。总耗电量无线充电器的传输效率会高于或低于其取代的有线充电器，具体视有线充电器数量、充电器类型以及用户的使用习惯而定。我们估计，在一般情况下，如果您用一个无线充电器取代两个有线充电器，则无线充电器与有线充电器效率相当。相关计算的详情如下。对无线充电器耗电量的测算有线充电器耗电量首先计算一个传统手机充电器的耗电量。此类充电器就是所谓的“外接式电源适配器”。能源之星网站提供了大量数据。登录该网站可以发现，一般情况下，符合Energy Start标准的交流转直流电源适配器： 满载时的效率：5瓦的电源适配器的平均效率为72% 空载时的耗电量：5瓦的电源适配器的平均耗电量为0.12瓦，一些特别好的电源适配器的耗电量仅为0.01瓦。假设您每天使用电源适配器1小时，其余时间一直将电源适配器插在电源上。充电完毕后，人们通常不会将电源适配器和底座从电源上拔出。虽然这种做法并不可取，但却很常见。由此产生的总耗电量如下： 充电：1小时*2瓦/72% = 2.8瓦时（假设一个5瓦的充电器在一次完整的充电中平均供电2瓦） 待机（空载）：23小时*0.12瓦 = 2.8瓦时由此可见，待机耗电量在手机充电器的总耗电量中所占比重很高。无线充电器的耗电量我们的无线充电器同样包含一个交流转直流电源适配器。假设其效率同样为72%以及待机耗电量同样为0.12瓦。注：无线充电器的待机耗电量远低于0.12瓦，此处仅为方便对比说明。无线充电连接的传输效率一般为70%。我们假设利用该无线充电器取代2个有线充电器，总耗电量为： 充电：1小时*4瓦/ 72% / 70% = 7.9瓦时（同时为2台装置充电） 待机（空载）：23小时*0.12瓦 = 2.8瓦时与有线充电器的对比两个有线充电器的总耗电量：2 * ( 2.8 + 2.8 ) = 11.2瓦时一个为两台装置充电的无线充电器的总耗电量：7.9 + 2.8 = 10.7瓦时由此可见，两者的总耗电量大致相当。虽然无线传输的效率明显不如铜线传输，但是当利用无线充电器取代多个外接式电源适配器时，无线充电器能够减少待机耗电。感应电能传输的基本原理Dries van Wageningen和Eberhard Waffenschmidt，Philips Research感应耦合电能传输系统的基本原理如图1所示。这个系统由发射器线圈L1和接收器线圈L2组成，两个线圈共同构成一个电磁耦合感应器。发射器线圈所携带的交流电生成磁场，并通过感应使接收器线圈产生电压。这种电压可用于为移动设备供电或为电池充电。电能传输效率取决于感应器之间的耦合(k)和它们的品质(Q)。（见优值系数）耦合不仅与两个感应器之间的距离(z)以及相对大小(D2 /D)有关，还与线圈的形状和它们之间的角度有关（图上无显示）。传输效率Dries van Wageningen和Eberhard Waffenschmidt，Philips Research图2显示在品质因数为100的情况下，图1所示的系统理论上可达到的最佳效率。所有的尺寸都按照发射器和接收器线圈中较大的线圈D的直径进行了调整。这个值是根据线圈之间的轴向距离(z/D)计算得出的。参数为较小线圈D2的直径。从图中可以看出 距离越大(z/D 1)或线圈大小差距越大，效率降低的幅度越大 距离越小(z/D 1），则磁场将倾向于集中在低磁阻铁磁通道，因此将发生偏离，不会影响自由区域。为达至这种效果，铁氧体板必须足够厚，否则会有大量的漏磁量进入自由区域（如图2(a)所示）。另一种方法则是综合上述两种方法。图2(b)是铜板贴在铁氧体板子时的场域分布情况。根据法拉第定律，电流在铜板上流通时，同时会产生相应的磁通量，感应磁通量的极性或方向与最初产生的磁场之间相互作用，从而使在回路附近产生的净磁场量减少。屏蔽效能用作屏蔽性能评估的参数，在离磁场源给定距离的情况下，屏蔽效能被定义为屏蔽前和屏蔽后的场域强度的比值。图3显示仅用铁氧体、仅用铜和结合两者的磁场屏蔽效能图。为了在不同情况下达到不同的屏蔽效果，我们可以选择不同的材料或者综合利用不同的材料。参考文献：S.C. Tang, R. Hui, H.S. Chung“Evaluation of the shielding effects on printed-circuit-board transformers using ferrite plates and copper sheets”.X. Liu，R. Hui.“An analysis of a double layer electromagnetic shield for a universal contactless battery charging platform”C.R.Paul.“Introduction to Electromagnetic Compability”其他资料本页载列了一份与感应电能传输有关的论文列表。该论文列表并不完整，我们衷心期盼广大读者向我们提交更多的参考建议（见联系方式）。出于版权考虑，本网站并未提供相关论文的下载链接。我们诚挚欢迎各位提供任何所列参考的公共资源（见联系方式）！如能提供其他学术研究网站的链接，我们将不胜感激。目录：论文消费应用电磁炉工业应用无线供电空间无铁芯变压器和电感器学术研讨标准网络资源论文消费应用Daniel Kuerschner、Christian Rathge。 文章发表于“2008年第39届电力电子专家会议（PESC）（39th Power Electronic Specialists Conference (PESC) 2008）”。罗得岛（Rodes），希腊，2008年6月15日-19日。第4326页。Yipeng Su、Xun Liu及S. Y. Ron Hui。文章发表于“2008年第39届电力电子专家会议（PESC）”。罗得岛（ Rodes），希腊，2008年15日-19日。第3475页，海报第549页。C. L. W. Sonntag、E. A. Lomonova、J. L. Duarte、A. J. A. Vandenput。文章发表于“2007年欧洲电力电子会议论文集(Proceedings of the European Power Electronic (EPE) Conference 2007)”。奥尔堡（Aalborg），丹麦，2007年9月3日-5日。第0795页。Margery Conner。无限制充电(Power with no strings attached).电子设计技术(EDN).2007-7,(5):31.C. Fernndez、P. Zumel、A. Lzaro、A. Barrado。文章发表于“2007年应用电力电子会议(APEC)论文集(Proceedings of the Applied Power Electronics Conference (APEC) 2007)”。第1607页。J. Hirai, T-W. Kim, A. Kawamura.进行电能及信息感应传输的智能充电研究(Study on intelligent battery charging using inductive transmission of power and information).IEEE transactions on power electronics,2000-3,15(2).F. Nakao、Y. Matsuo、M. Kitaoka、H. Sakamoto。文章发表于“ PCC Osaka会议论文集”，2002年，第850页(0-7803-7156-9/02 IEEE 2002)。W. Lim,J. Nho, B. Choi,T. Ahn.采用平板型印制电路板作为能量传输设备的薄型无接触充电器(Low-profile contactless battery charger using planar printed circuit board windings as energy transfer device).0-7803-7262-X/02 IEEE 2002, p. 579.E. Abel, S. Third.无接触电能传输拓扑结构的运用(Contactless power transfer - an exercise in topology).IEEE transactions on magnetics,1984-9,Mag-20(5).Y. Jang,M. Jovanovic.配有稳定的本地控制器的新型软开关无接触充电器(A new soft-switched contactless battery charger with robust local controllers).IEICE/IEEE INTELEC03,2003-10.Yungtaek Jang（电气与电子工程师协会高级会员）及Milan M. Jovanovic（电气与电子工程师协会资深会员）.手提电话充电器的无接触电能传输系统(A Contactless Electrical Energy Transmission System for Portable-Telephone Battery Chargers).IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2003-7,50(3):520.K. Hatanaka, F.Sato, H.Matsuki, S.Kikuchi, J.Murakami, T.Satoh.关于碟式无接触充电传输系统线圈形状的基础研究(Fundamental Study of Coil Shape in a Desk-Type Contactless Power Transmission System).Journal of Magnetics Society of Japan, 25: 1015-1018 (2001).K. Hatanaka, F. Sato, H. Matsuki, S. Kikuchi, J-I. Murakami, M. Kawase, T. Satoh.无线供电平台的电能传输(Power transmission of a desk with a cord-free power supply).IEEE transactions on magnetics, 2002-09-05,38(5).Junji Hirai（电气与电子工程师协会会员）, Tae-Woong Kim（电气与电子工程师协会会员）及Atsuo Kawamura（电气与电子工程师协会资深会员）.进行电能及信息感应传输的智能充电研究(Study on Intelligent Battery Charging Using Inductive Transmission of Power and Information).IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, 2000-3,15(2).B. Choi, J. Nho, H. Cha, T. Ahn, S. Choi.采用平板型印制电路板作为能量传输设备的薄型无接触充电器研制(Design and implementation of low-profile contactless battery charger using planar printed circuit board windings as energy transfer device).IEEE transactions on magnetics, 2004-2, 51(1).C-G. Kim, D-H. Seo, J-S You, J-H. Park, B-H. Cho.移动电话的无接触充电器设计(Design of a contactless battery charger for cellular phone).IEEE transactions on industrial electronics,2000,48(6).Y.Jang, M. Jovanovic.手提电话充电器的无接触电能传输系统(A contactless electrical energy transmission system for portable-telephone battery chargers).IEEE transactions on industrial electronics, 2003-06-03, 50(3).B. Choi, H. Cha, J. Noh、S. Park.便携式电信计算机电子设备的新式无接触充电器(A new contactless battery charger for portable telecommunication/computing electronics).ISSN 0-7803-6622-0/01.IEEE 2001, p.58.C-G. Kim，D-H，Seo，J-S You，J-H. Park，B-H. Cho.移动电话的无接触充电器设计(Design of a contactless battery charger for cellular phone).IEEE transactions on industrial electronics, 2001-12-06, 48(6).H. Sakamoto，K. Harada，S. Washimiya，K. Takchara，Y. Matsuo，F. Nakao.感应充电器的大气隙耦合器（Large air-gap coupler for inductive charger）.IEEE transactions on magnetics, 1999, 35(5).电磁炉Jesus Acero, Rafael Alonso、Jose Miguel Burdio、Luis Angel Barragan及Claudio Carretero。文章发表于“2008年第39届电力电子专家会议(PESC)（39th Power Electronic Specialists Conference (PESC) 2008）”。罗得岛（Rodes）,希腊，2008年6月15日-19日。第3482页，海报第550页。Thomas Kimmer、Joerg Oehmen、Peter Tuerkes及Stephan Voss。文章发表于“2008年第39届电力电子专家会议(PESC)”。罗德岛（Rodes），希腊，2008年6月15-19日。第2284页，海报第381页。工业应用Andreas Ecklebe、Sebastian Schulz及Andreas Lindemann。文章发表于“2008年第39届电力电子专家会议(PESC)”。罗德岛（Rodes），希腊，2008年6月15-19日。第22页。Dirk Hirschmann、Christian P. Dick、Sebastian A. Richter及Rik W. De Doncker。文章发表于“2008年第39届电力电子专家会议(PESC)”。罗德岛（Rodes），希腊，2008年6月15-19日。第4314页。Michael Kissin、Grant Covic及John Boys。文章发表于“2008年第39届电力电子专家会议(PESC)”。罗德岛（Rodes），希腊，2008年6月15-19日。第604页。Grant Covic、John Boys、Alwin Tam及Jimmy Peng。文章发表于“2008年第39届电力电子专家会议(PESC)”。罗德岛（Rodes），希腊，2008年6月15-19日。第3489页，海报第551页。Hao Leo Li、Aiguo Hu及Grant Covic。文章发表于“2008年第39届电力电子专家会议(PESC)”。罗德岛（Rodes），希腊，2008年6月15-19日。第3642页，海报第577页。John Boys、Chang-Yu Huang及Grant Covic。文章发表于“2008年第39届电力电子专家会议(PESC)”。罗德岛（Rodes），希腊，2008年6月15-19日。第3701页，海报第587页。Stefan Raabe、John Boys及Grant Covic。文章发表于“2008年第39届电力电子专家会议(PESC)”。罗德岛（Rodes），希腊，2008年6月15-19日。第4320页。S. Adachi, F. Sato, S. Kikuchi.为移动机器人提供选择性激发的无接触式供电系统的研究（Consideration of contactless power station with selective excitation to moving robot）.0018-9464/99 IEEE, 99年9月.无线供电空间Aristeidis Karalis, J.D. Joannopoulos Marin Soljacic.高效无线非辐射中距离能量传输（Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer）.物理学年鉴(Annals of Physics), 2008年, 第323卷, 第34-48页.Aristeidis Karalis, J.D.Joannopoulos及Marin Soljacic。文章发表于“2006 AIP Industrial Physics Forum”，2006年11月13日。Kathleen OBrian.无线系统和设备的感应耦合射频电能传输系统（Inductively Coupled Radio Frequency Power Transmission System for Wireless Systems and Devices），（博士论文），德累斯顿工业大学，2005年12月5日. Shaker Verlag Aachen 2007, 国际标准书号（ISBN）978-3-8322-5775-0.Kathleen OBrien、Ralph Teichmann及Henry Gueldner。文章发表于“第37届IEEE电力电子专家会议”，济州岛，韩国，2006年6月18-22日。论文号PS 2-81。Kathleen OBrien、G. Scheible及Henry Gueldner。文章发表于“2003年IEEE电力电子专家会议(PESC)”。阿卡普尔科（Acapulco），墨西哥。第1557页。无铁芯变压器和电感器Charles R. Sullivan、Weidong Li、Satish Prabhakaran及Shanshan Lu。“2007年第38届电力电子专家会议(PESC)”论文集。奥兰多，美国。2007年7月17-21日。第1754页。Xun Liu、C. K. Lee及S. Y. (Ron) Hui。“2007年第38届电力电子专家会议(PESC)”论文集。奥兰多，美国，2007年7月17-21日。第1528页。学术研讨Eberhard Waffenschmidt及Toine Staring。“2009年欧洲电力电子协会(EPE)会议纪要。巴塞罗那，西班牙。2009年9月8-10日。Eberhard Waffenschmidt,。文章发表于“Workshop Kontaktlose Energie- und Datenbertragung fr innovative Anwendungen。马格德堡（Magdeburg），德国。2008年9月23日。E. Waffenschmidt,空芯变压器在MHz频带的尺寸优势（Size advantage of coreless transformers in the MHz range）.EPE 2001，格拉茨（Graz），2001.Xun Liu、S. Y. Ron Hui.通用无接触电池充电平台适用的多层平面阵列绕组结构的等效电路模型（Equivalent Circuit Modeling of a Multilayer Planar Winding Array Structure for Use in a Universal Contactless Battery Charging Platform）.IEEE电力电子学汇刊（IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS），2007-1，第22卷（第1期），第21页.Xun Liu and S.Y.(Ron) Hui.平面无接触电池充电平台适用的混合绕组结构优化设计（Optimal Design of a Hybrid Winding Structure for Planar Contactless Battery Charging Platform）.录入IAS 2006.R.Hui、W. Ho。文章发表于“2004年第35届IEEE电力电子专家会议”。R.Hui、H. Chung、S. Tang.空芯印刷电路板（PCB）变压器（Coreless printed circuit board (PCB) transformers）.IEEE电路与系统汇刊，第11卷（第3期），国际标准刊号(ISSN) 1049-3654 2000.R. Hui、H. Chung。文章发表于“第五届IEEE切换式电源供应器讨论会（5th IEEE workshop on switch mode power supplies）”。02年06月21日。Cheng Luo、Matthew C. Whitehead及Heath F. Hofmann。“2007年第38届电力电子专家会议(PESC)”论文集。奥兰多，美国。2007年7月17-21日。第2089页。W.A. Roshen。“2007年第38届电力电子专家会议(PESC)”论文集。奥兰多，美国。2007年7月17-21日。第2075页。标准国际非电离辐射保护委员会.限制交变电场、磁场与电磁场暴露导则（Guidelines for limiting exposure to time-varying electric、magnetic、and electromagnetic fields）.Health Physics April 1998，第74卷（第4期）.Berufsgenossenschaft der Feinmechanik und Elektrotechnik.Unfallverhtungsvorschrift Elektromagnetische Felder - Berufsgenossenschaftliche Vorschrift fr Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit.BGV B11 (VBG 25), 1.6.2001网络资源电力设计资源网：/基于使用无线充电系统和传统有线电源适配器的节电比较Ron Hui教授，IEEE院士电力电子研究中心主任香港城市大学2009年8月21日1. 引言把无线充电系统应用于一系列便携式消费电子产品，可实现以下突破：1. 形成服务于广泛电子消费产品的通用充电平台；2. 减少传统充电器（即多余的充电装置）的数量；3. 减少制造和包装这些传统充电器所需的电耗和自然资源；4. 减少运输这些传统充电器的运输能耗；5. 减少因缺乏通用充电平台而泛滥的大量传统充电器所产生的有毒及不可进行生物降解的电子废物的数量；6. 减少处理和清理传统充电器产生的大量电子废物所需的人力、资源、设施和能源（电耗）。本文主要比较传统有线电源适配器与无线充电器在电耗方面的优劣势。本文对以下两个系统作出比较：i. 外部交流-直流电源（通常称为电源适配器）。ii. 无线电源包括： o 交流-直流适配器o 发射电子设备o 发射器线圈o 接收器线圈o 接收器中的整流电路。2. 案例研究一单负载与多负载的充电及待机功率本案例旨在研究有线电源适配器和无线充电器的能耗，包括(i)充电功率和(ii)待机功率。由于降低待机功率的技术已经面世且有关技术均可应用于有线和无线充电器，本研究将使用能从公开信息来源中获取的有关待机功率损耗和效率的技术数据。本研究的考虑因素和所用假设如下： 使用能源之星网站(energy star website)中交流-直流外部电源适配器的“空载或待机功率消耗”数据1。 根据1的结果，可发现5瓦有线充电器空载时一般消耗0.14瓦特的功率（即待机功率为0.14瓦特）。考虑到在初始充电阶段才需要达到峰值功率，加上在电池充满时充电功率必须降低，因此