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无线充电标准及其特殊应用

王国辉 电子产品世界?? 2015年03月04日 ?? 收藏1
目前无线充电标准有Qi标准、PMA(Power Maers Alliance)标准和A4WP(Alliance for Wireless Power)标准三种,标准尚未统一。其中Qi标准应用最为广泛,是无线充电联盟(Wireless Power Consortium, WPC)推出的国际标准;采用近距离电磁感应技术作为低功耗便携式电子设备充电,为所有电子厂商提供统一的通用标准。PMA标准及联盟由Powermat公司发起,致力于为符合IEEE协会标准的手机和电子设备进行无线供电。A4WP标准由美国高通公司、韩国三星公司以及Powermat公司共同创建的无线充电联盟推出,采用磁共振式无线充电,目标是为便携式电子产品和电动汽车等提供无线充电。(目前无线充电技术主要有电磁感应式、磁共振式、无线电波式、电场耦合式四种基本方式。

目前无线充电三种标准

无线充电技术发展至今,应用场景广泛。可为电动牙刷、电动剃须刀和无绳电话等小家电无线充电,并已实用化;可为便携式消费类电子,如手机、PDA和笔记本电脑等充电;也可为电动汽车无线充电。

无线充电是一种有关生活方式的科技成就,将影响整个日常生活。然而,目前无线充电还存在着各种各样的缺点、问题,面临着很多挑战。首先是效率问题:充电效率不高,长时间下能源浪费严重,远距离大功率无线设备的耗能会更高,浪费更大;其次是安全性问题:大功率无线充电设备的电磁辐射会对环境和生物(如鸟类、居民等)造成很多不利的影响,可能会干扰日常通信,可能对飞机等交通工具产生不良影响;第三是方便性和实用性问题:充电时不能随意动,位置还必须固定,从使用角度来看,并不比有线充电方便太多;最后是成本较高,价格不菲。

总的说来,无线充电产品在消费电子市场并不是非常有吸引力的功能,未能成为消费者关注的重点,并没有带来实质性的革命;还没有大规模的使用,并未真正在市场上形成气候,无线充电只是一个小噱头,还未被广泛接受,叫好不叫座,只是一场曲高和寡的技术游戏。

无线充电技术虽然面临着很多挑战,目前也富有很多机遇,个人认为前景巨大,在一些特殊的领域具有特殊的用途,具有很重要的应用,如医用植入设备,无线传感网,防水密封电子产品等等。

医用植入设备

医疗植入式装置在疾病治疗中发挥着越来越重要的作用。胶囊内窥镜、植入式医用胶囊可以窥探人体消化道或肠道的溃疡、异常的增长以及出血等健康状况,帮助医生对病人进行诊断;心脏起搏器可在必要时候用电信号激活心脏复苏与维持正常。但医用植入设备的供电电池容量往往是一定的,一般可供使用几年,如电池耗完,则需要手术更换植入设备。目前,心脏起搏器植入人体之后,8-10年左右就需要更换电池。也就是说,虽然安装了心脏起搏器,但每隔8-10年还需要再动一次手术来更换起搏器的电池。如果病人体内的医用植入设备可以进行充电,会方便很多,不用再通过手术来更换电池,一次手术即可解决问题,不会有手术失败、胸腔感染等风险。

Toratec 和Witricity公司在2011年已合作研制成功植入式心脏起搏器,采用谐振式无线充电方式,无线充电距离超过10英寸。另外,美国Purdue大学的Albert Kim、Teimour Maleki和Ziaie等人提出了用音乐为植入式装置供电的概念,他们研制了一个固有频率为 435 Hz的PZT悬臂梁,放置于长度为40mm,直径为8mm的玻璃胶囊里,通过外部频率为200-500Hz的音乐,如RAP、布鲁斯、爵士和摇滚乐等,来激励悬臂梁产生振动,并转换成电能,从而为植入式装置供电。

无线传感网

无线充电可以实现为低功耗无线传感器网络充电,如可为安置在动物身上的无线定位、监测装置补充电能。ADInstruments 公司的无线动物监测系统,可以无线监测和采集动物的压力值(如动脉、动脉、膀胱和子宫等)、生物电动势(ECG心电)和体温等。采用小型传感器可以采集高质量的数据,并可以扩大移动范围,系统应用灵活,可长期监控、记录动物的状况。电池可在线充电,不需要停止工作,也不用花费昂贵的代价去更换电池。

可无线充电的无线动物监测系统
可无线充电的无线动物监测系统

防水密封电子产品

便携式的移动产品, 都要不定期地进行充电, 因此不得不留下各种插口和连接电缆,这就很难实现具有防水性能的密封工艺。采用无线充电后,由于设备外壳上没有金属接点或者开口,可以增强电子产品的防水性,易于实现产品的防水和密封。如最早出现的采用无线充电的电动牙刷,解决了潮湿环境下的用电安全问题。现在很多特殊的产品,在特殊的运用场合和环境下,如水下工作的自动检测系统,需要密封和防水,不希望产品外壳上留下任何插孔(充电口,开关机键,显示灯等),在这种情形下,如能采用无线充电就能解决其密封和防水问题。笔者就基于Qi无线充电标准,采用电磁感应式无线充电技术,设计了一款防水密封型便携式GPS终端设备;所研制的无线充电接收模块,尺寸为50x32x1.0mm3,能有效地为设备的锂离子电池进行无线充电,结合软件控制,并实现了设备的无线充电自动开机。


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无线充电标准? Qi? PMA? A4WP?

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