無線充線圈
無線充電方式與標(biāo)準(zhǔn)
通過無線、無接觸式的無線充電(Wireless Power Transfer：也被稱為非接觸供電、無接觸電力傳輸)為內(nèi)置于電子設(shè)備中的二次電池充電的方式正在迅速普及。
TDK提供有多種多樣的無線充電產(chǎn)品，其中不僅包括為智能手機(jī)、筆記本電腦等設(shè)計的中低輸出無線充電產(chǎn)品、為產(chǎn)業(yè)設(shè)備、EV(電動車)等設(shè)計的更大功率的無線充電產(chǎn)品，還可供應(yīng)為超小型及薄型穿戴式設(shè)備/保健設(shè)備設(shè)計的產(chǎn)品。
無線充電方式多種多樣，但當(dāng)今主流方式是通過磁耦合進(jìn)行電力傳輸?shù)碾姶鸥袘?yīng)式與磁共振式(圖1)。
圖1 無線充電的主要方式
無線充電的主要標(biāo)準(zhǔn)有推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化的行業(yè)團(tuán)體WPC(Wireless Power Consortium)的Qi、AirFuel Alliance(2015年，A4WP與PMA合并后成立的行業(yè)團(tuán)體)的AirFuel等。
TDK作為WPC以及AirFuel Alliance的加盟企業(yè)，早期便開始了電磁感應(yīng)式與磁共振式等無線充電所需技術(shù)的研發(fā)，生產(chǎn)并提供符合各類標(biāo)準(zhǔn)的無線充電線圈等產(chǎn)品。
以下將介紹TDK全新開發(fā)的無線充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)以電磁感應(yīng)式無線充電原理、關(guān)鍵技術(shù)以及電磁感應(yīng)式為基礎(chǔ)，無需準(zhǔn)確定位(免定位)，且可同時對多個小型電子設(shè)備進(jìn)行充電。
電磁感應(yīng)式與磁共振式的優(yōu)缺點
電磁感應(yīng)式與磁共振式的優(yōu)缺點
電磁感應(yīng)式與磁共振式無線充電通過接收及發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場，以非接觸方式進(jìn)行電力傳輸。如今市場上銷售有眾多只需放上便可通過無接觸方式對智能手機(jī)進(jìn)行充電的充電盤，而這些產(chǎn)品便是利用了電磁感應(yīng)式（針對低電力的Qi標(biāo)準(zhǔn)等）的無線充電方式。電磁感應(yīng)式無線充電技術(shù)一直以來便廣泛用于電動剃須刀、移動式電話等產(chǎn)品中。其優(yōu)點在于原理及結(jié)構(gòu)簡單，且成本較低。然而，當(dāng)發(fā)射線圈與接收線圈的對置距離變大時，電力傳輸效率便會發(fā)生急速下降，因此線圈之間必須保持較近的距離，這是該技術(shù)的缺點所在。
而磁共振式無線充電則是在發(fā)射側(cè)與接收側(cè)插入電容器，形成LC諧振電路，使其發(fā)射側(cè)與接收側(cè)的諧振頻率一致后進(jìn)行電力輸送的方式。這種方式的優(yōu)點在于，可拉大線圈的對置距離，同時，即使線圈之間中心稍稍發(fā)生偏移的情況下也可進(jìn)行電力傳輸。因此也可作為同時為多臺移動設(shè)備進(jìn)行充電的充電墊體使用。
圖2所示為電磁感應(yīng)式與磁共振式的基本電路以及雙方的特點。
| 圖示 |
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| 可供電距離 | 10mm以下(*) | 50mm以下(*) |
| 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)難易度 | 相対容易 | 相対困難 |
| 系統(tǒng)成本 | 相対便宜 | 昂貴（估計） |
| 產(chǎn)品尺寸 | 可小型化 | 難以小型化 |
| 同時充電臺數(shù) | 1對1 | 可多臺充電 |
圖2 電磁感應(yīng)式與磁共振式無線充電的基本原理以及特點的比較
磁共振式不僅可拉大可供電距離，同時還可在行駛過程中為EV蓄電池進(jìn)行充電，因此在近年一舉成為了備受矚目的無線充電技術(shù)。然而，由于磁共振式的系統(tǒng)較為復(fù)雜，難以進(jìn)行小型化，因此在穿戴式設(shè)備及助聽器等小型電子設(shè)備的無線充電方面，電磁感應(yīng)式仍具備較大優(yōu)勢。為此，這里將就電磁感應(yīng)式無線充電原理及技術(shù)進(jìn)行更深入的說明。
決定電磁感應(yīng)式無線供電傳輸效率的因素
圖3 漏磁通與兩個線圈間的耦合系數(shù)
決定電磁感應(yīng)式無線供電傳輸效率的因素
在電磁感應(yīng)式無線充電中，線圈之間需保持較近距離，這是因為線圈之間距離越大，部分磁通將會變?yōu)槁┐磐?leakage flux)而無法進(jìn)行傳輸，從而導(dǎo)致兩個線圈的磁耦合減弱(圖3)。
將發(fā)射線圈以及接收線圈的電感分別設(shè)為L1、L2，兩個線圈間的互感設(shè)為M，磁耦合程度以耦合系數(shù)k表示，則可成立以下公式。
k＝M/√L1?L2
k＝M/√L1?L2
圖3 漏磁通與兩個線圈間的耦合系數(shù)
兩個線圈的電感與互感存在L1?L2≧M的關(guān)系，為此耦合系數(shù)的數(shù)值在0≦k≦1的范圍中。在沒有漏磁通的理想情況下，耦合系數(shù)為1，但實際情況中數(shù)值在1以下，且線圈間的距離越大，漏磁通會越多，從而導(dǎo)致耦合系數(shù)下降，最終將會變?yōu)?。
為此，現(xiàn)在的主要著眼點在于，在耦合系數(shù)不到1的狀態(tài)下，盡可能減少損耗，從而提高電磁感應(yīng)式無線充電的電力傳輸效率。
在發(fā)射、接收線圈部內(nèi)，導(dǎo)致電力傳輸效率降低的主要原因有銅損與鐵損。
| 銅 損 | 因流過線圈導(dǎo)線的電流而產(chǎn)生的損耗。導(dǎo)線的直流電阻越小損耗越少。但在電磁感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)中會使用高頻交流電流。隨著頻率增大，交流電流將會在表面(趨膚效應(yīng))，而非在導(dǎo)線內(nèi)部流動，由此，有效截面積將會變小，從而使電阻增大。將多根擁有絕緣包層的細(xì)線擰成一股絞合線，并將其用于發(fā)射及接收線圈中，就是為了降低表面電阻所造成的損耗。 |
| 鐵 損 | 原本是指用于聚焦線圈所產(chǎn)生磁力線的變壓器磁芯中所產(chǎn)生的損耗，包括渦流損耗、磁滯損耗等在無線充電中，發(fā)射及接收線圈內(nèi)也會使用相當(dāng)于變壓器磁芯的磁性片材。如后所述，其特性與電力傳輸效率存在緊密聯(lián)系。 |
采用了先進(jìn)磁性技術(shù)的TDK無線供電用線圈
在用于為智能手機(jī)等進(jìn)行充電的電磁感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)中，之所以主要在高頻(大致為100～200kHz)中使用，是因為在該頻帶中能夠獲得較高的電力傳輸效率。然而，除了線圈間隔之外，即使是線圈中心少許的位置偏移也會導(dǎo)致電力傳輸效率下降。因此，對發(fā)射線圈與接收線圈進(jìn)行準(zhǔn)確定位變得尤為重要。
為了實現(xiàn)準(zhǔn)確的定位，例如在WPC針對低電力(最大5W)的Qi標(biāo)準(zhǔn)(Volume Ⅰ Low Power)中，規(guī)定有如下三種方法的相關(guān)規(guī)格。
| ①磁鐵定位方式 | 使用磁鐵引力進(jìn)行定位的方式。 |
| ②移動式線圈方式 | 檢測到充電對象設(shè)備后，通過某一驅(qū)動裝置將發(fā)射線圈移動至該位置的方式。 |
| ③線圈陣列方式 | 事先排列多個發(fā)射線圈，并使位于所放置設(shè)備正下方的發(fā)射線圈進(jìn)行工作的方式。 |
♦針對低電力Qi標(biāo)準(zhǔn)的線圈定位方式♦
在這3種方式中最為簡單的一種是①的磁鐵定位方式。然而，這種方式是通過安裝于發(fā)射線圈中心位置的磁鐵磁力，吸引安裝于接收線圈中央的磁性體進(jìn)行定位，因此正如后文所述，在磁路設(shè)計中存在必須考慮的問題。
同時，若通過上述3種方式均無法正常工作時，接收線圈將無法通過Qi標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)定。為此，TDK首先設(shè)計生產(chǎn)了適用于磁鐵定位方式的Tx(發(fā)射)線圈單元以及Rx(接收)線圈單元，進(jìn)而根據(jù)該設(shè)計開發(fā)了適用于移動式線圈方式以及線圈陣列方式的產(chǎn)品。圖4所示為TDK符合WPC的Tx線圈單元(例)。
尺寸及WPC規(guī)格：Φ50mm(A10) 尺寸及WPC規(guī)格：52×52mm(A1、A9) 尺寸及WPC規(guī)格：100×56mm(A6)
圖4 符合WPC的TDK無線充電用Tx線圈單元(例)
需要進(jìn)行慎重設(shè)計的磁性片材材質(zhì)與厚度
在適用無線充電的智能手機(jī)等移動設(shè)備中，所搭載的接收線圈與磁性片材要求盡可能地薄。然而，磁性材料的特性與厚度需要進(jìn)行慎重的設(shè)計。這是因為，若磁性片材過薄會引起磁飽和問題。若發(fā)生磁飽和，則線圈的電感將會突然降低，從而可能對無線充電過程造成障礙。
同時，根據(jù)接收線圈搭載部位不同，也有可能引起異常發(fā)熱。例如，若接收線圈搭載位置接近電池，則磁性片材將無法充分發(fā)揮磁屏蔽特性，從而使高頻磁通貫穿磁性片材，直至電池盒中。一般情況下，電池盒的材質(zhì)為鋁，高頻磁通會導(dǎo)致盒子表面產(chǎn)生渦流，而由此引起的鐵損不僅會使電力傳輸效率降低，同時也可能引起異常發(fā)熱。特別需要確保磁屏蔽萬無一失的是磁鐵定位方式的接收線圈側(cè)。這是因為在該方式中，除了從發(fā)射線圈輸出的高頻磁通之外，還需要吸收、屏蔽來自磁鐵的磁通。
與磁屏蔽特性緊密相關(guān)的是用于磁性片材的軟磁性材料。在TDK無線充電用發(fā)射線圈單元及接收線圈單元的磁性片材中，使用有用于變壓器或扼流圈磁芯等的高頻用高特性鐵氧體或軟磁性金屬材料。由此不僅能夠高效聚焦磁力線，提高電力傳輸效率，同時也可抑制噪音的產(chǎn)生(圖5)。
圖5 無線充電線圈中磁性片材的作用
根據(jù)輸出的大小，針對無線充電系統(tǒng)制定有諸多標(biāo)準(zhǔn)。
WPC在繼2010年制定針對低電力(最大5W)的Qi標(biāo)準(zhǔn)(Volume Ⅰ Low Power)之后，還于2015年制定了針對中電力(5～15W)的Qi標(biāo)準(zhǔn)(Volume II Medium Power)。
TDK開發(fā)了各類定制標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，不僅能夠運用于智能手機(jī)、筆記本電腦的中低輸出型以及15W以上的高輸出型，同時還可用作面向超小型及薄型穿戴式設(shè)備或保健設(shè)備的無線充電，擁有不到2W的超低輸出小型線圈。
圖6所示為TDK無線充電相關(guān)產(chǎn)品的輸出型與其主要用途。
圖6 TDK無線充電相關(guān)產(chǎn)品的輸出型與主要用途
在超小型、薄型穿戴式設(shè)備以及保健設(shè)備的無線充電方式中，前文所述的電磁感應(yīng)式因其原理及結(jié)構(gòu)均十分簡單，因此具有較大優(yōu)勢。然而，以往的電磁感應(yīng)式存在只能分別對每一臺進(jìn)行充電的缺點。為此，TDK以電磁感應(yīng)式為基礎(chǔ)，全新開發(fā)了小型低輸出無線充電系統(tǒng)，很好地克服了其缺點。
穿戴式設(shè)備、助聽器等無線供電所要求的技術(shù)
市場中，穿戴式設(shè)備擁有手表型、腕帶型、裝飾型等各種類型，然而在這類小型電子設(shè)備中，由于搭載的電池小于移動設(shè)備，因此需要進(jìn)行頻繁充電。同時，連接器插入式以及接點式等充電方式會因端子破損或腐蝕導(dǎo)致充電不良等問題發(fā)生。
電磁感應(yīng)式無線充電的優(yōu)點在于能夠解決這類問題，并方便地應(yīng)對小型化。然而，在以往的電磁感應(yīng)式中存在發(fā)射線圈與接收線圈的位置精度要求嚴(yán)格，難以同時進(jìn)行多臺充電等問題（圖7）。
圖7 以往用于穿戴式設(shè)備的充電系統(tǒng)的問題與課題
為解決這些問題，TDK全新開發(fā)了小型低輸出無線充電系統(tǒng)。
這是一種劃時代的系統(tǒng)，它是在電磁感應(yīng)式無線充電技術(shù)的基礎(chǔ)上，在改善供電時的定位性這一電磁感應(yīng)式弱點的同時，使其能夠同時對多個產(chǎn)品進(jìn)行充電。
圖8所示為MEDTEC 2016中作為參考展示的小型低輸出無線充電系統(tǒng)的試制產(chǎn)品示例。只需在壺型發(fā)射單元中放入接收單元便可開始自動充電，而無需進(jìn)行定位（免定位）。同時，由于可以多個產(chǎn)品同時充電，因此不僅是小型穿戴式設(shè)備，使用小型紐扣電池的助聽器等也可無需進(jìn)行繁瑣的電池更換作業(yè)，十分便利。此外，由于其完全防水，因此可方便進(jìn)行清洗及滅菌。
近年來還漸漸被運用到配備指紋認(rèn)證功能及屏幕功能的高性能IC卡（稱為智能卡或屏幕卡等）中。由于耗電量巨大，因此此類高性能IC卡需要頻繁對內(nèi)置的二次電池進(jìn)行充電。圖9所示為可最多同時對10張高性能IC卡進(jìn)行充電的TDK無線充電系統(tǒng)試制示例。與分別對每張進(jìn)行充電的系統(tǒng)相比，可大幅節(jié)約時間。
最多可同時對10張高性能IC卡（智能卡、屏幕卡等）進(jìn)行無線充電
小型低輸出無線供電系統(tǒng)的特點
在專用于穿戴式設(shè)備、保健設(shè)備及助聽器等小型電子設(shè)備的電磁感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)中要求使用磁性材料技術(shù)、磁路設(shè)計技術(shù)、高頻技術(shù)、模擬技術(shù)等各類技術(shù)。TDK的優(yōu)勢在于，擁有包括以鐵氧體為原點的材料技術(shù)在內(nèi)，長年積累而來的綜合核心技術(shù)。TDK可根據(jù)客戶需求提供小型低輸出無線充電系統(tǒng)中所必須的小型線圈（輸電線圈、接收線圈）、與控制電路一體化的線圈模塊等優(yōu)化的高效系統(tǒng)。
《安威小型低輸出無線充電系統(tǒng)的特點》
• 超小型線圈技術(shù)：開發(fā)并提供適用于設(shè)備形狀的超小型輸電及接收線圈。
• 開發(fā)定制輸電及接收系統(tǒng)：可提供實現(xiàn)最大效率的系統(tǒng)。
• 高特性柔性磁性片材：可從TDK豐富的磁性材料中選擇最佳材料。
• 應(yīng)對定制輸出：可應(yīng)對各類輸出設(shè)計。
注：本文轉(zhuǎn)載自TDK中文網(wǎng)，文章鏈接：https://product.tdk.com/info/zh/products/wireless-charge/technote/tpo/index.html
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