無線能量傳輸，線圈作為主要構成

　　1. 介紹

　　雖然無線能量傳輸的技術原理已經有超過120年的歷史， 為什么到現在才顯現重要性？ 在過去的兩年中，智能手機與平板電腦的使用者行為已經顯著改變。人們不斷地發送郵件，短消息，發布信息至社交網絡以及進行在線游戲。很少能有普通用戶使用一塊電池板堅持一天，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。公共無線充電基站則是這一問題的實用解決方案。 例如，用戶只要將智能手機放置于配置無線充電器的餐廳桌面上，就可輕松充電。為了達到成功的用戶體驗，充電器必須方便實用、快速高效，然而更重要的是其性能必須可與傳統的有線充電器媲美。

　　一旦由消費產品的設計和需求所推動的技術成熟確立， 在其他領域將會顯現許多新的不同應用。 例如，在醫療領域，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。然而使用整體無線充電技術，醫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環境中，無線電源可以消除與充電接觸相關的許多風險和質量控制問題。

　　2. 三大主流標準

　　這些解決方案的成功無疑是取決于無論是發射器還是接收器都遵循標準兼容協議。因此，無論制造商是哪一家，一旦確定裝備可以在所有兼容站得到充電，那么這項技術就會變得流行。所以，理解市場上標準協議以及支持技術至關重要。

　　2.1. 無線充電聯盟 （WPC）發布緊密耦合的Qi標準

　　• 通過感性耦合器進行短距離能量傳輸—通常是在毫米范圍距離內

　　• 發射器（Tx） 和接收器 （Rx） 是通過磁場耦合的線圈。

　　• 磁場聚集在發射器和接收器線圈之間的小區域范圍之內

　　• 單一發射器每次只能向一個接收器提供能量

　　• 接收到的不同功率水平可達5至15W，計劃發展到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是目前市場上最成熟的解決方案，在超過230種設備上得以批準使用

　　• 獲批設備的銷售數量在全球范圍內已達一千六百萬臺

　　2.2. 無線電力聯盟（A4WP）推出的松散耦合（LC）無線電力傳輸標準（磁共振） • 發射線圈在與接受線圈相同的振動頻率下傳輸能量。接收器被調整到共振頻率以高效接收能量。這種現象稱之為磁共振。

　　• 可遠距離工作 – 通常50毫米范圍

　　• 接收器無需精確對位 – 垂直或者水平放置不重要。

　　• 單一發射器可以對多個接收器同時充電。

　　• 可為智能手機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 （低功耗藍牙）

　　• 數據傳輸頻率范圍為2.4 吉赫 （低功耗藍牙）

　　• 標準還未通過，市場上還無商業化產品。

　　• 與WPC或者PMA不兼容

　　2.3. 電力事業聯盟 （PMA）

　　• 與WPC相似的解決方案 – 短距離感應耦合

　　• 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，但是這并不意味著標準使用完全相同的技術。

　　• PMA 解決方案使用不同的協議，并且傳輸頻率范圍超過WPC。

　　• 協議屬性與頻率范圍僅對PMA 成員有效

　　• 與WPC或者A4WP不直接兼容

　　諸如IDT和TI等一些半導體制造商都嘗試提供可與WPC（Qi）和PMA標準兼容的芯片解決方案。 這些芯片可以識別線圈種類以及發射器或者接收器旁的收發器，并且傳輸能量可以在Qi或者PMA頻率之間進行調整。

　　目前，這些標準由消費市場主導，并且局限于20W的解決方案。只有WPC提出過最大達到2.4kW，適用于例如無線廚房裝置的應用。一旦200W，800W以及2.4kW建議規格得以明確，這些解決方案就不僅僅局限于廚房裝置，還可用工業、醫療和消費市場的廣泛應用。

　　除此之外，還有大量具有特定額定功率的定制化解決方案。主要的應用領域在于工業設備以及大型蓄電池充電。這些大多是小批量或中等生產量的感應解決方案，他們之間不可兼容，并且還需要他們自己獨特的批準和認證。該文件沒有探討于專門用于汽車工業的電動汽車充電解決方案。

　　3. Qi 系統

　　WPC Qi標準是怎樣的體系？小功率解決方案由發射器向接收線圈提供5W的電力。發射器與接收器之間通過特別的電力管理協議（圖１）進行通信。在線圈間傳遞的電力頻率范圍為100至205千赫。接收器向發射器要求需要的能量，而發射器根據需求進行調整。電力管理系統監控和改變能量傳輸。如果接收器不再需要能量，系統會進入待機模式。半導體制造商提供設計者評估工具以及參考設計。比如說，這張圖德州儀器提供的bq500211AEVM-210發射器電路板上有Würth Elektronik （760 308 111）的發射器線圈。

　　圖1： WPC Qi 標準的原理

　　來源： 2012無線電力聯盟

　　發射器與接收器線圈的屬性對于達成低功率傳輸損耗至關重要。發射器與接收器線圈正確的選擇與對齊是影響能量傳輸效率的主要因素。

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

　　來源： Würth Elektronik　照片

　　圖3： 根據WPC Qi 標準選擇的發射器和接收器線圈

　　來源： 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鍵因素。

　　4.1. 線圈的放置

　　發射器與接收器線圈需要準確地對準以最小化損耗。側面，傾斜和豎直錯位尤為不利于能量傳輸。 （圖。 4）.

　　圖4： 發射器與接收器線圈錯位的類型

　　來源： 無線資源控制（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射器線圈磁場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射器線圈中心對位，并且沒有傾斜、Z距離盡可能的小，那么傳輸損耗就有可能是最小的。　圖一的耦合因素是最理想化的。這就意味著接收和發射線圈的傳輸的有效區域是相等的。

　　4.2. 耦合系數

　　為了補救錯位損耗，設計具有高品質因素和耦合系數的線圈非常重要。 在傳輸和接收線圈間的耦合系數由以下參數組成：

　　L1 和L2是線圈的自感系數。M為線圈間的互感系數。 線圈的品質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間的典型品質因素。線圈電阻和導線歐姆電阻受多種因素影響。

　　4.3. 趨膚效應

　　導體內部電流分布從中心到表面流動的現象稱為趨膚效應。這種現象發生于帶有交流電的導體中。趨膚效應取決于交流電的頻率。當交流電的頻率上升，則聚集在導體表面的電流密度增加。因此，高頻交流電轉移或者“迫使”電流靠近表面處。在這種情況下，導體中心的電流密度比表面低。趨膚深度δ可通過下列公式描述：

　　ρ 電阻系數

　　ω 角頻率

　　µ 磁導率　（e.g.： 100）

　　趨膚深度測量方法是由導體表面到達的徑向深度，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。　從這些計算中可以證明趨膚效應使導體中通過電流時有效截面積減小，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使用高頻導線，趨膚效應能耗損失可顯著減少。高頻率導線由兩股或者多股小截面導線組成的導線束構成。導線束中的每根導線都負責總電流的一部分。這可以幫助趨膚效應最小化，因而更多能量可以得到有效使用。

　　4.4. 鄰近效應

　　另一個影響線圈能耗損失的因素是鄰近效應。鄰近效應導致導體在相鄰側電流集中或者轉移電流，從而使導體都產生漏磁。多股線結構、繞線技術以及導線絕緣結構可以減少線圈中無用的渦流。

　　4.5. 損耗系數

　　無線能量傳輸受限于系統中的功率損耗系數。損耗系數公式為：

　　這個系數體現了所轉化能量相關的所有損耗總合與傳輸能量數量之比值。 主要目的是盡可能的最小化系統的損耗系數。一旦發射器和接收器線圈配置得以優化，就可取得最小的損耗系數。然而，一般來說，損耗系數從本質上還是受系統品質因素和耦合系數的影響。

　　方程式顯示產品的品質因素與耦合因素可作為判斷系統品質系數（優值系數， FOM）的指標。較低的損耗因素，如因為低的耦合系數而造成，可以通過提高線圈的品質因素實現線性補償。　（圖5）

　　圖5：　損耗系數與優值系數的關系圖

　　來源： 無線充電聯盟2012年

　　4.6. 磁場分布

　　另外一個對線圈效率產生影響的要素是磁場特性。磁場特性決定了對周圍的不必要輻射。而對周圍的不必要輻射又對系統效率有顯著影響。

　　圖6　顯示在最佳耦合狀態之下，傳輸和接收線圈的磁場強度與磁通密度

　　圖6： 特氧體電感耦合線圈磁場強度和磁通密度的模擬圖

　　來源： Würth Elektronik

　　顯而易見，磁場被選擇性地限制在線圈間的空間。實際上對周圍并無影響。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。圖7顯示了傳輸線圈和接收線圈側面錯位（28%）情況下，磁場強度和磁通密度

　　圖7：

　　來源： Würth Elektronik

　　由于這個錯位，磁場以及磁通量主要被限制在兩個線圈的整體結構中。Z方向上沒有磁場的增加。可以推斷出通過使用合適的鐵氧體屏蔽，電感耦合中的磁場被限制在線圈間的區域，因此，不需要額外的屏蔽裝置。

　　除此之外，Qi 標準的規則避免線圈錯位所產生的巨大損耗。例如，當連接的能量傳輸效率將至低于70%，電力管理系統就會中止傳輸。只有在能量傳輸效率大于70％的線圈對位情況下，才能開始能量傳輸。

　　另外， WPC Qi標準還詳細規定了傳輸線圈的幾何形狀以及材料。由于諸如傳輸線圈，電力管理系統和芯片等組件必須遵守標準，因此整個系統的協同工作能力得以保障。裝置的Qi認證包括了獨立測試實驗室核查新產品與之前認證裝備的協同工作能力。

　　目前Qi標準對于傳輸線圈有22個不同的設計規定。這些設計被分為兩種規格。一種是包含有鐵氧體纏繞線圈的設計。另外一種規格則由印刷有線圈的電路板或者混合解決方案。在每個規格中，線圈的分類取決于線圈數量（單一、排列）、尺寸、形狀、電壓和控制機制的種類（電壓、負載、頻率）。還有具有中心永久磁鐵的線圈設計。永久磁鐵意圖將輕薄型的接收器自動與傳輸線圈中心對位。這種對位方式的缺點在于：線圈磁場中的永久磁鐵嚴重影響系統的品質因素，這是由于在磁鐵內部有渦流產生。而這些電流消耗有用的能量。

　　4.7. 標準線圈的改進和優化

　　可以通過使用高質量材料，設計高效的絕緣線束并且優化繞線技術以最小化線圈的寄生電阻。 這些方面的改進從根本上提升了系統的品質因素。 如此有效的線圈為工業或者醫療應用帶來更好的性能。Würth Elektronik 提供的各類傳輸和接收線圈滿足Qi要求，具有低直流電阻（RDC）和高品質因素。

　　5. 總結

　　當遵守明確定義的標準時，無線能量傳輸是最有效的。特別是在Qi標準里有對線圈能量傳輸產生積極影響的多種方法。 最佳線圈的選擇，謹慎的系統設計以及清晰指導用戶怎樣在傳輸站放置裝備的使用指南可賦予設備制造商的競爭優勢。 從標準化主體來看， 更好的優化組合定義正在進行中，這將引領下一代系統性能改善。

　　然而， 傳輸和接收線圈在無線傳輸中還是關鍵組件，是整個系統效率的根本。

　　6. 文獻

　　無線電力聯盟： http://www.a4wp.org/technology.html

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

　　電力事業聯盟： http://www.powermatters.org/

　　RRC 電力解決方案： 研討會：　 電感能量傳輸的基礎原理， Qi 標準和系統解決方案2012

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

　　無線電力聯盟： www.wirelesspowerconsortium.com/technology

　　Würth Elektronik： 電感遠見的三部曲，2008

　　Würth Elektronik： 數據表760308111， 760308201， 760308106

　　Würth Elektronik： 無線電力線圈： http://katalog.we-online.de/de/pbs/WE-WPCC