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无线充电技术解析

作者:admin来源:OFweek 日期:2014-6-12 14:49:26 人气: 标签:

  这篇文章主要是面对所有无线充电行业的从业人员,而不单纯是技术研发人员,只要你对初高中物理有一些了解,相信基本能够看懂。后续再陆续推出一些针对不同层次和不同阶段的同行朋友的经典技术文章,希望对无线充电行业有一些积极的帮助。

  文章主要解决下面几个问题:

  1>无线充电是怎么充电的?

  2>无线充电为什么可以无线充电?

  3>无线充电是基于什么原理?

  4>无线充电器的构成是什么样的?

  5>无线充电有什么好处?

  第一个问题:无线充电器是怎么充电的?

  很多人其实对无线充电是怎么充电并没有一个概念,很多人也希望它像WiFi一样,只要有WiFi的地方,连接上就能用。

  理想的情况简单认为就是没有线,到处都可以充电。无论是家里、办公室、酒店、咖啡厅、地铁、机场都能随时连接无线充电网给手机充电。估计几年以后无线充电将覆盖每个领域,无处不在。

  但现实的情况是无线充电还达不到上面理想的状态,不仅仅是基础设施的问题,而是技术的问题,我们现在的无线充电,充电器和手机的距离一般都在5mm以内(现阶段的Qi标准的无线充电情况),未来的磁共振标准可以做到125px以内(A4WP标准的无线充电情况)。

  现在阶段的Qi标准的无线充电器需要紧贴且对位好充电位置,距离充电器位置越远充电效率越低,具体10mm以上基本上不能充电,上下左右移动范围一般一般只有10mm左右,且偏离中心位置远大,充电效率越低。

  无线充电的充电效率一般在70%左右,好的可以做到75%左右,差一点的只有65%左右。

  随着技术的进步,无线充电的距离和充电效率都将会有很大改善。

  第二个问题:无线充电器为什么可以无线充电?

  无线充电是发射端(充电器)和接收端(手机等)各有一个线圈,发射端把电能通过发射线圈转换为磁场,发射线圈的磁场穿过接收端线圈,根据基础物理的法拉第电磁感应定律,在接收线圈中将产生电场,最后通过接收端输出电能给手机充电。

  这是最基本的电场转换为磁场,磁场再转换为电场的电磁场原理。

  发射端和接收端如下图所示:

  线圈也是无线充电的重点模块,且接收和发射的线圈会有一些差异,Qi标准的发射和接收线圈如下图:

  第三个问题:无线充电是基于什么原理?

  业内有主要两个技术流派,一个是磁感应,一个是磁共振。

  业内主要有三大充电标准,分别是WPC公司的Qi标准,PMA公司的Power2.0标准和A4WP公司的Rezence标准,其中WPC和PMA暂时是基于磁感应技术,A4WP是基于磁共振技术。

  磁感应技术

  基本原理是基于LC谐振原理和磁耦合原理。

  发射线圈的固有谐振频率为:

  接收线圈的固有谐振频率为:

  发射端线圈的信号频率工作在fp0附近,接收端线圈信号频率工作在fs0附近,且当两个线圈靠的比较近的时候,两个线圈的磁场耦合会比较好,耦合系数M会比较高,这样充电效率就会比较高。Qi标准规定发射和接收之间的能量传输的信号频率为110K~205KHz.

  且发射器和接收器之间的通信的传输也是通过两个线圈之间的耦合实现的,接收端把通信信号调制在功率信号上,发射器通过解调把通信信号解调出来,双方通过约定好的协议实现通信的传输。Qi规定的通信信号频率为2KHz.

  磁共振技术

  磁共振技术和磁感应技术在原理上有类似的地方,也是基于LC谐振原理和磁场耦合原理,只是磁共振往前再走了一步,就是发射端和接收端的功率信号的频率要求会很高,要求接发射和接收端必须都工作在谐振点,且频率相同,因此称为共振。我们知道,在谐振点耦合时,整个效率是最好的,能量的浪费是最小的。

  磁共振情况,能量的传输距离稍远一点,但能量的传输频率会高很多。

  A4WP规定能量的传输频率为6.78MHz,另外A4WP发送端和接收端的信号通信采用带宽为2.4GHz的Smart Bluetooth通信协议。

  关于磁感应和磁共振技术的详细内容在后续的技术文章会有介绍

  第四个问题:无线充电器的构成是什么样的?

  无线充电器主要由三个部分构成:外壳、主板和线圈。

  主板是整个系统的核心模块,一般包括主芯片,功率器件,其他电子器件等。

  第五个问题:无线充电有什么好处?

  无线充电相对于有线充电,有其独特的优点:

  1> 美观,便利,没有线的缠绕,也不需要经常带充电线

  2> 方便,兼容,不需要担心充电接头不兼容的问题,也不用担心用的iPhone还是三星等手机

  3> 安全、可靠,不存在充电过程中接打电话存在漏电而被高压电击的风险

  4> 提高了电池使用寿命,方便持续给电池补充能量而不存在电池过放的情况,提高了电池的循环寿命

  说明:有些图片源自于网络,可能是一些公司的产品宣传图片,在此借用,谢谢!

  无线充电存在的意义是为了给电池充电,如果对电池不懂,就不要谈充电,更不要谈无线充电,想了解无线充电,先了解电池,这里说的电池主要是指锂电池

  这里只介绍电池的基础知识,适合无线充电行业的所有从业人员。

  太多的人对电池等的认识是有误区的:

  误区一:电池是否需要激活,新电池是否需要反复充放3次,每次充12小时。

  误区二:电池尽量少充电,少使用寿命才长。

  误区三:电池充电充太久了会爆炸,充满了就要拔掉电源。

  误区四:充电越快,电池越好。

  误区五:充电器充电电流越大,充电越快。

  误区六:无线充电没有有线充电快。

  我们先不讨论这些误区的原因在哪里,下面我们一起分析一下锂电池的特性后自然都清楚了具体原因。

  全文分三大块介绍:电池基础、电池保护、电池充电

  (一)锂电池基础

  锂电池的组成

  我们平时见的手机电池都是锂电池,行业较电池PACK,锂电池PACK主要由两大块构成:电芯和保护板。

  电芯主要由五块构成:正极材料、负极材料、电解液、隔膜和外壳。

  保护板主要由保护芯片、MOS管、电阻电容和PCB板构成。

  锂电池的分类

  锂电池按照形状分为圆柱型电池和方形电池。圆柱型如一些移动电源和电动工具用的18650电池,方形电池如手机电池。

  按电解液分为锂离子电池和聚合物电池。锂离子电池电解液是液态的,外壳是一般是硬的,一般为铝壳或钢壳,如三星的传统机器都是锂离子电池。聚合物电池电解液为固态,如苹果手机的电池。

  锂电池的常用术语

  1>电池容量

  电池的容量又叫电池的电量,单位为Ah(安时)或mAh(毫安时)。容量为1Ah的电池理想情况,在充满电的情况下用1A的电流持续放电可以放1个小时。

  2>充/放电倍率

  充/放电倍率表示以多大电流充/放电,一般以电池的标称容量的倍数来计算,一般称为多少C.2500mAh的锂电池,如果放电倍率为1C是指放电电流为2500mA,充电电流为0.2C是指充电电流为500mA.

  3>标称电压

  锂电池的标称电压又称为额定电压,普通手机电池的标称电压一般为3.7V,电池充满时的电压一般为4.2V左右,电池刚放完时的电压一般为2.5V左右。

  4>标称功率/标称能量

  根据物理教材,P=U*I,W=U*I*t,功率的单位为W(瓦),能量的单位为Wh(瓦时)。容量为1500mAh的电池,标称电压为3.7V,标称功率为5.55W,标称能量为5.55Wh.

  5>内阻

  电池可以等效为一个电压源,带有一定的内阻的电压源。对电池来说,内阻越小越好,内阻越小也越贵。

  电池的内阻的单位为Ω(欧姆)或mΩ(毫欧)。电池内阻主要受电池的材料和制造工艺的影响。

  6>循环寿命

  电池的循环寿命一般指充满和放光一次的循环,电池到了循环寿命后,电池老化很厉害,电池的容量将下降很多,循环寿命也是衡量电池的重要指标。

  IEC标准规定电池的循环寿命为500次后保持为初始容量的60%,国标规定循环300次后容量应保持为初始容量的70%.

  7>剩余电量(SoC)

  电池的剩余容量指电池当前的电量与总的可用电量的百分比,0%~100%,反映还有多少电量的情况。(SoC : State of Charge)

  (二)电池保护

  锂电池为什么需要保护?

  锂电池由于其化学活性,结构等原因需要有保护系统,如果没有保护系统,可能对电池的使用寿命影响很大,严重的情况可能存在爆炸或燃烧的危险。没有带保护板的锂电池是禁止使用的。

  锂电池要避免深充深放,这样会严重影响电池寿命,如果经常给电池补充电对电池的寿命有帮助。很多人要用到手机自动关机才开始给手机充电,这是严重不好的习惯,一个是电量低的时候RF发射功率大,辐射厉害,同时影响电池的使用寿命。

  经常使用无线充电的朋友,由于不拨打电话的时候,手机放在无线充电器上,无线充电器会及时的给手机补充电量,对电池的寿命很有帮助。

  因此电池最好的状态是不要充太满也不要放过量。

  锂电池保护系统如下图:

  锂电池由于其特殊原因,需要至少以下保护措施:

  1>过充保护

  当电池快充满时,一般电池电压达到4.2V左右,需切断充电通路,防止电池过充。

  2>过放保护

  当电池快放完时,一般电池电压达到2.5V左右(不同厂家电压会有一定差异),也需切断放电通路,防止电池过放。

  3>过温保护

  当电池由于过大电流充放电或异常时,电池温度会急剧升高,一般电池温度达到60~65°左右,一定要切断充放电回路,确保系统安全。

  电池温度过高对电池的使用寿命也会有较大影响,如果电池长时间工作在高温环境,如45°以上,会严重缩短电池的使用寿命。

  很多无线充电的接收端是紧贴电池的,有些厂家的接收端设计的不合理,效率低,发热严重,同时也会严重影响电池的寿命,做无线充电的朋友一定要注意这一块。

  另外有些保护系统还会对充电电流和放电电流做保护,防止系统过流或短路。

  手机电池都带有保护系统的,如果电池充满,电池保护系统会自动关断,切断充电回路,不用担心电池爆炸的危险。

  (三)电池充电

  分析电池一定要分析电池的充电,同时结合无线充电分析。锂电池由于其本身的特性,充电也是有要求的,如果电池严重过放,电压很低的话,只能以小电流给电池充电,慢慢激活电池,否则对电池伤害会很大。

  另外大电流、高倍率给电池充电或放电都对电池有伤害,会影响电池的使用寿命。

  业内一般对电池的充电过程分为三段:涓流、恒流、恒压。

  电池电压过低时采用先涓流充电,当电池电压充到正常电压后再恒流快速充电,当电池快充满时又转为小电流恒压充电给电池慢慢补充电量。

  举个例子:

  经常发生的事,很多朋友有时想简单对比两个无线充电器的充电速度,一般是两个手机一个电量少(假如50%)左右,一个电量多(假如90%),放在上面同时充10分钟再看结果,一个充了5%左右,一个只充了1%左右,问我差异怎么这么大,我只能说你这个对比的差异也太大了。

  另外什么情况是充满了,通过电池电压判断是不太准确的,业内有一个标准,一般认为恒压充电时充电电流为恒流充电的0.1倍左右就认为充满了。

  锂电池的充电电流与电压的曲线图如下:

  对电池来说,充电快慢主要是由恒流充电阶段的充电电流决定的,与你采用的是有线充电还是无线充电没有直接关系。无论是有线充电还是无线充电,只要充电器提供的充电电流大,充电速度就快。

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