無線接口能量傳輸變得越來越普及,例如無線耳機和電磁爐等。然而,這項技術(shù)究竟還能給我們帶來多少便利?我們能否在不插電的情況下為汽車充電,或者如何實現(xiàn)在不通過電塔和溝渠就把電力傳輸?shù)狡h(yuǎn)地區(qū)?
無線供電的主要形式有兩種
1. 通過在發(fā)射器和接收器之間形成電場或磁場來實現(xiàn)緊密耦合,將能量從一邊傳遞到另一邊。某些緊密耦合的功率傳輸方案使用電場耦合兩個電極。但在更普遍的情況下,比如電磁爐、電動牙刷和手機充電器及其他產(chǎn)品會在發(fā)射器中產(chǎn)生電磁場,然后利用這個電磁場在附近的接收器中生成感應(yīng)電流,從而為電池充電等等。
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2. 輻射耦合,它涉及將能量束(通常以高頻無線電波的形式)引導(dǎo)傳送到接收器,接收器捕獲盡可能多的能量。
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對準(zhǔn)發(fā)射器和接收器,才能高效傳輸能量
汽車無線充電應(yīng)用
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隨著電動汽車無線充電標(biāo)準(zhǔn)的制定,我們看到了更大的挑戰(zhàn)。Molex莫仕最近針對汽車企業(yè)的一項調(diào)研顯示,有36%的受訪者認(rèn)為到2030年無線充電將成為標(biāo)準(zhǔn)功能。在手機中充電速率以數(shù)十瓦為單位。然而,電動汽車(EV)需要達(dá)到50KW至250KW充電速率,才有可能替代內(nèi)燃機汽車進(jìn)行長途行駛。確保地面上的傳輸線圈與汽車下方的拾波線圈之間的對準(zhǔn)非常重要。由于對準(zhǔn)不良而造成的傳輸損耗有百分之幾,這就意味著數(shù)百瓦的功率會損耗,成為充電器的傳輸線圈與車輛的接收器之間接口中的無用熱量。
電動汽車無線充電車道的概念
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SAE International國際自動機工程師學(xué)會已經(jīng)發(fā)布了一項標(biāo)準(zhǔn)“J2954_202010”,以解決汽車無線充電的諸多問題。它建立了用于輕型插入式EV汽車的無線電力傳送系統(tǒng)的互操作性、電磁兼容性、EMF、性能、安全性和測試標(biāo)準(zhǔn)。該規(guī)范旨在用于固定式充電應(yīng)用,將來可能會考慮動態(tài)應(yīng)用。以目前的形式,它僅限于地面上的充電墊,不包括嵌入式安裝的充電設(shè)備。?SAE J2954標(biāo)準(zhǔn)還定義了一種對齊方法,該方法將幫助駕駛員將其車輛與充電板對齊,以確保實現(xiàn)高效的能量傳送,以及建造相關(guān)設(shè)施用于未來有可能的自動充電操作。但是,如要要實現(xiàn)簡單快速的無線充電,以取代將汽車插入汽油泵一樣的常規(guī)用戶行為,就需要精良的工程設(shè)計和大量用戶規(guī)范操作。
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迄今為止,在汽車中為手機進(jìn)行無線充電可能是無線電力傳送發(fā)展前景不明朗的最好例證。僅當(dāng)手機準(zhǔn)確放在特定位置時才能使用無線充電,以確保發(fā)射器和接收器線圈之間的穩(wěn)固對準(zhǔn)。
各種形式的充電墊,從左到右:無線充電架,無線充電墊和無線充電杯架
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手機無線充電應(yīng)用
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手機用戶是比較挑剔的,這就是為什么最新的智能手機的外殼后部具有如此強的磁鐵,以便輕松快速地對齊。但是,這種無線充電仍然不足。用戶更希望能夠在指定空間的任何位置為設(shè)備充電,而無需緊貼精確對準(zhǔn)充電線圈。由Molex Ventures投資的初創(chuàng)企業(yè)Ossia通過使用類似高級WiFi和5G系統(tǒng)中使用的MIMO天線陣列的方法來做到這一點,即使設(shè)備不在發(fā)射器的視線內(nèi),也可以將能量發(fā)射到設(shè)備上。
?在Ossia的方法中,電力發(fā)射器會從天線發(fā)射出常規(guī)信號,以使其與附近的任何兼容設(shè)備同步。然后,每個接收器都發(fā)回一個信標(biāo)信號,表明其存在和需求。功率發(fā)送器測量每個信標(biāo)信號的相位,并使用該信號確定功率發(fā)送方向,以實現(xiàn)最有效的能量傳輸。
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這種方法適用于單天線發(fā)送器,但具有多個天線的功率發(fā)送器可以測量到達(dá)每根天線的信標(biāo)信號的略有差別的相位,從而更準(zhǔn)確地建立最有效的傳輸路徑。然后,功率發(fā)送器可以調(diào)整每個天線的相位和功率輸出,將相干的能量束導(dǎo)引傳送到接收器。而且這條路徑不必在視線范圍內(nèi)——如果受電設(shè)備發(fā)送的信標(biāo)信號在通往發(fā)射器的途中被墻壁彈回,則功率發(fā)射器會導(dǎo)引其能量束沿著相同的路徑回來。
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啟用Ossia Cota電力接收器的設(shè)備發(fā)送信標(biāo)信號以定位Cota電力發(fā)射器
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功率發(fā)送器還可以為一個空間內(nèi)多個設(shè)備進(jìn)行無線充電,該空間中的每個接收器都測量其需要的功率,并將此信息作為請求發(fā)送給功率發(fā)送器。然后,功率發(fā)送器比較來自它正在服務(wù)的接收器的所有請求,并且根據(jù)需求向每個接收器分配無線電力脈沖。Molex Ventures公司認(rèn)為這種方法前景光明,一旦能以這種方式傳送能量,人們就可以重新考慮如何在環(huán)境中為設(shè)備供電。充電方式從無線充電變?yōu)闊o線供電。例如,天花板煙霧報警器將永遠(yuǎn)不需要新電池了,而掃地機器人也無需返回充電站,也可繼續(xù)執(zhí)行清掃任務(wù)。
如果可以在限定范圍內(nèi)的任何地方以無線方式為設(shè)備供電,那么我們可能會看到人們的行為發(fā)生變化,新的機型也會涌現(xiàn),就像從固定電話發(fā)展到智能手機時的情形一樣。
最終,這一變化將伴隨著配套技術(shù)的發(fā)展,例如支持對準(zhǔn)的傳感器,或有助于大功率充電的熱管理解決方案。為通往一個聯(lián)系日益緊密但不受束縛的世界提供一條道路。