感应充电

感应充电(Inductive charging, 也称为无线充电或非接触充电)使用电磁场通过电磁感应在两个物体之间传递能量。这通常通过充电站完成。能量通过电感耦合发送到电子设备,然后电子设备可以使用该能量为电池充电或运行设备。

感应充电器使用感应线圈从充电基座内产生交变电磁场,并且便携式设备中的第二感应线圈从电磁场获取电力并将其转换回电流以对电池充电。接近的两个感应线圈组合形成电变压器。当感应充电系统使用谐振电感耦合时,可以实现发送器和接收器线圈之间的更大距离。

最近对该谐振系统的改进包括使用可移动的传输线圈(即,安装在升降平台或臂上)以及使用其他材料用于由镀银铜或有时铝制成的接收器线圈,以最小化重量并减小由于皮肤效果。

感应能量转移
能量的感应传递基于位于地板上的传动平台到电动车内的接收垫,这是通过磁共振传递能量。也就是说,该装置只需靠近垫以充电其能量。

电源为连接到电流的5-125范围内的线圈供电。线圈可能需要串联或并联电容补偿,以降低电源电路中的电压和电流。

加载点对环境的影响很小,因为只需要加载垫。也就是说,它们可以安装在任何地方。另一方面,IPT的磁共振对使用者的影响类似于电动牙刷的影响。为防止故意破坏,如果没有特定工具,系统就无法拆除。此外,由于系统简单且不是由移动部件或触点形成,因此其磨损最小且持续时间长。该技术的另一个优点是它允许能量流被反转并且车辆可以将其返回到电网。

有两种类型的无线充电:

电磁负载:这种类型的负载是电感性的,并使用电磁场来传输能量。需要充电站将能量发送到要充电的设备的电池。这种类型的电荷距离很短,需要与设备接触。

优点:没有接收下载的风险,因为没有直接接触电源。即使与水接触也是安全的。

缺点:与有线充电系统相比,处理能量传输的设备效率较低。

负载共振:此类负载的距离为50厘米。使用两个铜线圈,一个用于从源发送能量,另一个用于接收能量并且连接到要充电的装置。当两个线圈具有相同的频率并且接近时,发生能量转移。

历史
权力的转移是使用无线电波作为媒介的第一次尝试。詹姆斯·麦克斯韦尔(James C. Maxwell)在1864年首次预测了无线电波1888年,Heinrich Hertz使用他的火花隙无线电发射器展示了无线电波的证据。尼古拉·特斯拉认为无线电力传输是可能的,也是可能的。他建造了所谓的“特斯拉塔”,这是一个巨大的线圈,连接到一个200英尺高的塔,直径3英尺的球。特斯拉向该设备抽出300千瓦的电力;线圈在150 kHz时谐振。由于功率在所有方向上扩散,实验失败了。

在20世纪60年代,人们对​​利用微波传输功率进行了大量研究。厕所。布朗做了他所谓的“rectenna”。该设备接收无线电频率并将其转换为直流电。布朗成功但效率低下。 1987年,加拿大通过向模型飞机发射2.45 GHz,10 kW微波,成功驾驶无燃料模型飞机。

还有人试图通过归纳来转移权力。 1894年,M.Hutin和M.Le-Blanc提出​​了一种为电动汽车提供动力的装置和方法,这是首次使用的。然而,内燃机被证明更受欢迎,这项技术暂时被遗忘。

1972年,奥克兰大学的Don Otto教授提出了一种使用道路上的发射器和车辆上的接收器进行感应驱动的车辆。

美国使用的首次感应充电应用由J.G.执行。 Bolger,F.A。Kirsten和S. Ng于1978年制造了一台电动汽车,系统的功率为180 Hz,功率为20 kW。

在20世纪80年代的加利福尼亚州,生产了一种由感应充电驱动的公共汽车,此时法国和德国也在进行类似的工作。

2006年,麻省理工学院开始使用谐振耦合。他们能够在没有几米的辐射的情况下传输大量的电力。事实证明,这对于商业需求更为有利,而且这是感应充电的重要一步。

无线电力联盟(WPC)成立于2008年,并于2010年建立了Qi标准。 2012年,无线电力联盟(A4WP)和电力事务联盟(PMA)成立。日本于2009年建立了宽带无线论坛(BWF),并于2013年建立了无线电力实际应用联盟(WiPoT)。能源收集联盟(EHC)也于2010年在日本成立。韩国成立了韩国无线电力论坛( KWPF)在2011年。这些组织的目的是为感应充电制定标准。

应用领域
感应充电的应用可分为两大类:低功率和高功率:

低功率应用通常支持小型消费电子设备,例如手机,手持设备,一些计算机以及通常在低于100瓦的功率水平下充电的类似设备。
高功率感应充电通常是指在高于1千瓦的功率水平下对电池进行感应充电。用于高功率感应充电的最突出的应用领域是支持电动车辆,其中感应充电提供插入式充电的自动和无线替代。这些设备的功率水平可以从大约1千瓦到300千瓦或更高。所有高功率感应充电系统都使用共振的初级和次级线圈

优点
受保护的连接 – 封闭电子设备时不会腐蚀,远离大气中的水或氧气。减少电气故障的风险,例如由于绝缘故障导致的短路,特别是在频繁连接或断开的情况下。
低感染风险 – 对于嵌入式医疗设备,通过穿过皮肤的磁场传输电力可避免与穿透皮肤的电线相关的感染风险。
耐用性 – 无需经常插拔设备,设备插座和连接电缆的磨损明显减少。
提高便利性和美观质量 – 无需电缆。
电动车辆的自动高功率感应充电允许更频繁的充电事件和相应的行驶范围扩展。
感应充电系统可以自动操作,而不依赖于人们插拔。这导致更高的可靠性。
自动驾驶技术,当应用于电动车辆时,依赖于自动充电 – 感应充电的自动操作解决了这个问题。
高功率水平的电动车辆的感应充电使得电动车辆在运动中充电(也称为动态充电)。

缺点
对于低功率(即小于100瓦)的感应充电装置,已经注意到以下缺点。这些缺点可能不适用于高功率(即大于5千瓦)的电动车辆感应充电系统。

充电较慢 – 由于效率较低,当供电量相同时,设备需要更长时间才能充电。
更昂贵 – 感应充电还需要设备和充电器中的驱动电子设备和线圈,这增加了制造的复杂性和成本。
不便之处 – 当移动设备连接到电缆时,它可以移动(尽管在有限的范围内)并在充电时进行操作。在大多数感应充电的实现中,移动设备必须留在垫上进行充电,因此在充电时不能移动或易于操作。根据一些标准,充电可以保持一定距离,但只有在发射器和接收器之间不存在任何东西。
兼容标准 – 并非所有设备都兼容不同的感应式充电器。但是,一些设备已开始支持多种标准。
低效率 – 感应充电不如直接充电效率高。在一个应用程序中,正在充电的手机变热。持续暴露在高温下会导致电池损坏。
较新的方法通过使用超薄线圈,更高频率和优化的驱动电子设备来减少传输损耗。这样可以产生更高效,更紧凑的充电器和接收器,便于将它们集成到移动设备或电池中,只需要很少的更改。这些技术提供与有线方法相当的充电时间,并且它们正在迅速进入移动设备。

例如,Magne Charge车辆充电器系统采用高频感应,以86%的效率提供高功率(6.68 kW功率输出功率为6.6 kW)。

标准
标准是指与设备兼容的不同设置操作系统。有两个主要标准:Qi和PMA。这两个标准的运行方式非常相似,但它们使用不同的传输频率和连接协议。因此,与一个标准兼容的设备不一定与其他标准兼容。但是,有两种标准兼容的设备。

Magne Charge是一种基本上过时的感应充电系统,也称为J1773,用于为以前由通用汽车公司制造的电池电动汽车(BEV)充电。
Qi,由无线电力联盟开发的用于感应电力传输的接口标准。在2017年7月,它是世界上最着名的标准,有超过2亿台设备支持这个界面。
AirFuel联盟:
2012年1月,IEEE宣布启动IEEE标准协会(IEEE-SA)行业连接下的电源事务联盟(PMA)。该联盟旨在发布一套安全,节能的感应电源标准,并具有智能电源管理功能。 PMA还将专注于创建感应电力生态系统
Rezence是由无线电力联盟(A4WP)开发的接口标准。
A4WP和PMA于2015年合并为AirFuel Alliance。

例子

现代智能手机
许多智能手机制造商已开始在其产品中添加此技术。这些手机大部分都采用了Qi无线充电标准。苹果和三星等主要制造商生产了大量具有Qi功能的手机型号。 Qi标准的普及促使其他制造商将其作为自己的标准。智能手机已经成为这项技术进入消费者家庭的驱动力,在这些家庭中开发了许多家用技术来利用这种技术。目前Qi技术的推动力在于消费者智能手机。随着这项技术被推向消费者,对无线充电的外观有很多不同的想法。三星和其他公司已经开始探索“表面充电”的想法,在一个整个表面如桌子或桌子上建立一个感应充电站。相反,Apple和Anker正在推动基于码头的充电平台。这包括充电垫和占用空间小得多的磁盘。这些解决方案适用于希望拥有较小充电器的消费者,这些充电器位于公共区域,可以融入其家居的当前装饰。由于采用Qi标准的无线充电,只要手机具有Qi功能,任何这些充电器都可以与任何手机配合使用。

便携式电子设备
自20世纪90年代初以来,Braun公司的Oral-B可充电牙刷已经使用了感应式充电。
在2007年1月举行的消费电子展(CES)上,伟世通公布了其用于车载的感应式充电系统,该系统只能将特制手机充电至兼容接收器的MP3播放器。
2009年4月28日:IGN报道了Wii遥控器的Energizer感应充电站。
在2009年1月的CES上,Palm公司宣布推出新的Pre智能手机,配备可选的感应充电器配件“Touchstone”。充电器配备了所需的特殊背板,该背板成为CES 2010上宣布的后续Pre Plus型号的标准配置。后来的Pixi,Pixi Plus和Veer 4G智能手机也采用了该背板。在2011年推出时,命运多HP的HP Touchpad平板电脑(在惠普收购Palm公司之后)有一个内置的试金石线圈,作为类似NFC的Touch to Share功能的天线加倍。
诺基亚于2012年9月5日宣布推出Lumia 920和Lumia 820,它们分别支持感应充电和感应充电以及配件背部。
2013年3月15日三星推出了Galaxy S4,它支持感应充电和附件背面。
2013年7月26日谷歌和华硕推出集成感应充电的Nexus 7 2013版。
2014年9月9日Apple发布Apple Watch(2015年4月24日发布),该手表使用无线感应充电。
2017年9月12日Apple宣布推出AirPower无线充电垫。它的目的是能够同时为iPhone,Apple Watch和AirPods充电;然而,该产品从未发布过,截至2018年9月12日,Apple从其网站上删除了大部分提及的AirPower。

齐装置
诺基亚于2012年9月5日推出了两款智能手机(Lumia 820和Lumia 920),具有Qi感应充电功能。
谷歌和LG于2012年10月推出了Nexus 4,支持使用Qi标准的感应充电。
摩托罗拉移动推出了Droid 3和Droid 4,两者均可选择支持Qi标准。
2012年11月21日,HTC推出了Droid DNA,也支持Qi标准。
2013年10月31日谷歌和LG推出了Nexus 5,它支持Qi的感应充电。
2014年4月14日三星推出支持Qi无线充电的Galaxy S5,无论是无线充电还是接收器。
2015年11月20日微软推出了支持Qi标准充电的Lumia 950 XL和Lumia 950。
2016年2月22日三星宣布其新旗舰产品Galaxy S7和S7 Edge使用的界面几乎与Qi相同。 2017年发布的三星Galaxy S8和三星Galaxy Note 8还采用了Qi无线充电技术。
2017年9月12日Apple宣布iPhone 8和iPhone X将采用无线Qi标准充电。

家具
宜家拥有一系列支持Qi标准的无线充电家具。

双重标准
2015年3月3日:三星宣布其旗舰产品Galaxy S6和S6 Edge通过Qi和PMA兼容充电器进行无线感应充电。 S6之后的三星Galaxy S和Note系列中的所有手机都支持无线充电。
2015年11月6日,BlackBerry发布了新的旗舰产品BlackBerry Priv,这是第一款通过Qi和PMA兼容充电器支持无线感应充电的黑莓手机。

研究和其他
人工心脏和其他手术植入装置中的经皮能量转移(TET)系统。
2006年,麻省理工学院的研究人员报告说,他们发现了一种在相隔几米的线圈之间传输功率的有效方法。由MarinSoljačić领导的团队理论上说,他们可以通过增加共振来延长线圈之间的距离。 MIT感应电源项目名为WiTricity,采用弯曲线圈和电容板。
2012年,俄罗斯私人博物馆Grand Maket Rossiya开业,其模型车展品采用感应式充电。
截至2017年,迪士尼研究院一直在开发和研究多种设备的室内电感感应充电。

运输

电动汽车
英语,无线电动汽车充电 – WEVC),6有两种主要类型的系统:

静态或静止系统:在车辆停放时,无论是在家中还是在公共场合,都可以使用。目前像丰田这样的公司与一家名为Witricity的公司合作,打算不仅在家里,而且在公共道路上为电动汽车实施这种充电系统。另一方面,博世已与Evatran达成协议,提供一种称为Plugless L2的系统,该系统与目前最受欢迎的两款车型兼容,包括雪佛兰Volt和日产Leaf,以及Rolls Royce Phantom 102EX和Citröen C1。该系统对电动车辆的充电速度与插入式2级(240V)一样快 – 日产LEAF约为8小时,雪佛兰Volt约为3小时。

动态系统:用于在车辆运动时加载车辆,与Qualcomm Halo的动态版本一样。十月十一月十二月

WEVC技术使用磁共振将来自基本充电单元(BCU)的能量耦合到车辆充电单元(VCU)。能量通过磁耦合从VCU焊盘传递,用于为汽车电池充电。 VCU和BCU之间的通信确保对电网的影响最小。

载荷将用于以下类型的车辆:

全电动汽车:它是一种产生牵引力并由电动机驱动的车辆,电动机由太阳能,核能或化学能产生。优点是它们是静音的,并且汽车的电池充电平均为3小时(30分钟到8小时,取决于来源)并且比普通汽车污染更少,有可能开发更清洁的环境。在电动车辆的平均维护中,远低于汽油车,减少了诸如油的车辆维护或污染气体的检查或调整的问题。

电动混合动力汽车:在当前术语中的“混合动力汽车”,是指任何具有电动机和另一种汽油或柴油点火装置的汽车。混合动力汽车的主要部件是汽油点火发动机加上以电力,发电机,燃料箱,电池和变速器运行的发动机。混合动力汽车有两种发动机:第一种是混合动力汽车,汽油发动机和电动机分别用于移动汽车。混合动力的第二种变体被称为混合动力系列,汽油或柴油不会移动车辆,而是向电池或连接到变速器的电动机供电的发电机,并且是动力汽车的发电机。

休斯电子为通用汽车开发了Magne Charge接口。通过将感应充电板插入车辆的插座中来对通用汽车EV1电动车进行充电。通用汽车和丰田公司同意这个界面,它也用于雪佛兰S-10 EV和丰田RAV4 EV车辆。
2015年9月奥迪无线充电(AWC)在第66届国际汽车展(IAA)2015期间推出了3.6千瓦的感应式充电器。
2015年9月17日庞巴迪 – 运输PRIMOVE推出了一款3.6千瓦的汽车充电器,该充电器是在德国曼海姆的工厂开发的。
伦敦交通局在伦敦的双层巴士试验中引入了感应式充电。
1998年左右,几种类型的电动汽车采用了磁电荷感应充电,但在加州空气资源委员会于2001年6月选择加利福尼亚空气资源委员会选择SAE J1772-2001或“Avcon”电动汽车导电充电接口后,该电磁充电已停产。

1997年Conductix Wampler开始在德国进行无线充电,2002年,20辆公共汽车开始在都灵运营,充电量为60千瓦。 2013年,IPT技术被Proov收购。 2008年,该技术已经在柏林梅赛德斯A级的未来之家使用。后来Evatran也开始开发Plugless Power,这是一种感应式充电系统,它声称是世界上第一款用于电动汽车的免提无插接近充电系统。在当地市政当局和几家企业的参与下,现场试验于2010年3月开始。第一套系统于2011年被出售给谷歌,供员工在山景城校园使用。 Evatran于2014年开始向公众销售Plugless L2无线充电系统。

研究和其他

静止的
在一个感应充电系统中,一个绕组连接到汽车的下侧,另一个绕组停留在车库的地板上。用于车辆充电的感应方法的主要优点是不存在电击的可能性,因为没有暴露的导体,尽管互锁,特殊连接器和RCD(接地故障断路器或GFI)可以使导电耦合几乎同样安全。 1998年丰田公司提出的感应式充电方案认为整体成本差异很小,而福特公司的导电充电器则认为导电充电更具成本效益。

从2010年开始,汽车制造商将对无线充电的兴趣表示为数字驾驶舱的另一部分。消费电子协会于2010年5月启动了一个小组,为充电器的互操作性设定基准。通用汽车公司高管正在担任标准工作小组的主席。丰田和福特的经理们表示,他们也对技术和标准工作感兴趣。

戴姆勒未来机动部负责人Herbert Kohler教授表示谨慎,并表示电动汽车的感应充电至少需要15年(从2011年开始),电动汽车感应充电的安全性方面尚未得到更详细的研究。例如,如果有心脏起搏器的人在车内,会发生什么?另一个缺点是该技术需要感应式拾取器和充电设备之间的精确对准。

2011年11月,伦敦市长鲍里斯·约翰逊和高通公布了伦敦科技城Shoreditch地区的13个无线充电点和50个电动车的试验,将于2012年初推出。2014年10月,大学位于犹他州盐湖城的犹他州为其公共交通车队增加了一辆电动公交车,该公交车队在其路线尽头使用感应板进行充电。 UTA是地区公共交通机构,计划在2018年推出类似的公共汽车。2012年11月,在乌得勒支推出了3辆公共汽车的无线充电。 2015年1月,八辆电动公交车被引入英国的米尔顿凯恩斯,在旅程的两端使用proov / ipt技术在路上使用感应充电,以延长隔夜费用。随后,在布里斯托尔,伦敦和马德里的后来的公交车道随之而来。

动态
韩国高等科学技术研究院(KAIST)的研究人员开发了一种电动运输系统(称为在线电动汽车,OLEV),车辆通过非接触式磁性充电(电力供应)从道路表面下方的电缆获取电力。将源放置在路面下方,并且在车辆本身上无线地拾取电力。作为交通拥堵的可能解决方案并通过最小化空气阻力来提高整体效率并因此降低能量消耗,测试车辆沿着车队形成的动力轨道。 2009年7月,研究人员成功地为公共汽车提供了高达60%的电力供应,距离为12厘米(4.7英寸)。

医疗影响
无线充电通过能够长期对位于皮肤下方的植入物和传感器进行充电,从而对医疗领域产生影响。研究人员已经能够在可以放置在患者皮肤下的柔性材料上打印无线电力发射天线。这可能意味着在可以监测患者状态的皮肤设备下可以具有更长的寿命并且提供可以导致医生更好诊断的长期观察或监测期。这些装置还可以使得诸如心脏起搏器之类的充电装置更容易在患者身上进行,而不是使装置的暴露部分穿过皮肤以允许有绳充电,这种技术将允许完全植入的装置使得患者更安全。目前还不清楚这项技术是否会被批准使用,需要对该设备的安全性进行更多的研究。虽然这些柔性聚合物比脊状二极管更安全,但是在放置或移除期间,它们更容易撕裂,从而形成印刷在塑料材料上的天线的易碎性质。虽然这些基于医疗的应用看起来非常具体,但是正在考虑使用这些柔性天线实现的高速功率传输以用于更广泛的应用。

未来的技术
目前正在设计该技术以应用于电动车辆的工作和实验。这将通过使用预定义的一个或多个导体来实现,所述预定义的一个或多个导体将通过气隙传输功率并且在诸如无线充电通道的预定路径上对车辆充电。可以利用这种类型的无线充电通道扩展其车载电池范围的车辆已经上路了。目前阻止这些车道变得普遍的一些问题是与安装这种基础设施相关的初始成本,这将使目前在路上的一小部分车辆受益。另一个复杂因素是跟踪每辆车消耗/拉出车道的功率。如果没有商业方式将这项技术货币化,许多城市已经拒绝将这些车道纳入其公共工程支出计划的计划。然而,这并不意味着汽车无法使用大规模无线充电。已经采用无线垫进行了第一个商业步骤,该无线垫允许电动车辆在停放在充电垫上时没有有线连接地充电。这些大型项目存在一些问题,包括在两个充电表面之间产生大量热量,并可能引起安全问题。目前,公司正在设计新的散热方法,通过这种方法可以对抗多余的热量。这些公司包括大多数主要的电动汽车制造商,如特斯拉,丰田和宝马。