无线电能传输并非一个全新的概念,其核心思想是摆脱传统电线(导体)的束缚,通过空间介质(如空气)传输电能。
市场需求与驱动因素:
· 便捷性:摆脱插拔线缆的麻烦,实现“随放随充”,提升用户体验。这是最直接的驱动力。
· 安全性与可靠性:避免反复插拔造成的接口磨损、接触火花、进水漏电等风险。在潮湿、粉尘、易燃易爆等恶劣环境中优势明显。
· 设计自由与美学:允许设备完全密封,提升防水防尘等级(如电动牙刷、智能手表)。让家居和工作环境更加整洁。
核心功能与分类
无线电能传输产品根据其技术原理、传输距离和功率,主要分为三大类,其核心功能各有侧重:
1. 电磁感应式(短距离,高功率)
· 核心原理:利用两个靠近的线圈(发射端Tx和接收端Rx)之间的电磁感应效应,类似于变压器。
· 核心功能:
· 紧密耦合、高效充电:在极近距离(几毫米至几厘米)内,效率可高达90%以上。
· 中高功率传输:适合手机、平板、笔记本电脑、电动工具、厨房电器(如无线充电锅)、甚至电动汽车静态无线充电。
· 精准定位要求:通常需要发射和接收线圈精确对准,现代产品通过使用多线圈阵列或磁体辅助定位来改善体验。
· 代表产品:Qi标准手机无线充电器、电动牙刷充电座、部分新能源汽车的无线充电板。
2. 磁共振式(中距离,灵活性强)
· 核心原理:让发射线圈和接收线圈在相同的固有频率上谐振,能量在谐振频率上高效交换。对线圈相对位置的要求比电磁感应式宽松。
· 核心功能:
· 空间自由度提升:传输距离可达几厘米到数米,在一定空间范围内可实现“随放随充”,允许设备在充电区域内移动。
· “一对多”充电:一个发射器可以同时为多个不同功率、不同位置的接收设备充电。
· 穿透非金属障碍物:可以穿透木头、塑料、玻璃等材料进行充电。
· 代表产品:部分高端消费电子无线充电座、未来智能家居的“无线充电桌面/台面”、机器人自动充电站。
3. 射频/辐射式(远距离,低功率)
· 核心原理:将电能转换为特定频率的电磁波(如微波、激光)定向发射出去,接收端通过天线接收并整流为直流电。
· 核心功能:
· 远距离定向传输:传输距离可达数米至数公里,适用于远距离、固定目标的供电。
· 为低功耗设备供电:主要为传感器、电子标签、低功耗物联网设备等供电。
· 移动中充电:理论上可以为飞行中的无人机或移动中的设备进行持续供电。
· 挑战与现状:效率相对较低,存在辐射安全规范和能量散射问题。目前主要用于特定工业、军事和实验场景,消费级应用较少。
1. 底层硬件驱动与信号处理层
· 功能:直接与硬件交互,是软件控制的基础。
· 控制逻辑:
· 逆变器驱动:生成和控制高频交流信号(通常为几十kHz到几MHz),决定发射能量的基本频率和波形。
· 阻抗匹配与调谐控制:实时监测线圈的谐振频率(因负载、距离、异物而变化),动态调整匹配网络(如使用可变电容或变频控制),使系统始终工作在最佳谐振点,以最大化传输效率。
· 信号解调:从能量载波或专用通信频段中,解码来自接收端的数据包(采用FSK、ASK等调制方式)。
2. 能量传输控制与通信协议层(核心层)
· 功能:管理充电过程,与接收端进行“对话”。
· 控制逻辑:遵循特定的无线充电标准(如Qi标准),这是一个严格的状态机。
· Ping(检测)阶段:
· 逻辑:发射器Tx间歇性发送短暂的检测信号。
· 判断:若接收到来自Rx的数字Ping响应(包含强度信息),则确认有合法设备存在,进入下一阶段。
· 识别与配置阶段:
· 逻辑:Tx与Rx建立双向通信(通过蓝牙或带内通信)。
· 判断:Rx发送“身份识别包”和“配置包”,告知Tx自己的设备类型、最大接收功率、所需电压等。
· 决策:Tx验证设备是否兼容(如是否为Qi设备),并初步确定供电参数。
· 功率传输阶段:
· 逻辑:Tx开启全功率传输。这是一个动态闭环控制过程。
· 反馈:Rx持续监测自身输入电压/电流,并通过通信通道每秒数次向Tx发送控制误差包(例如“需要提高电压”或“需要降低电流”)。
· 决策与执行:Tx根据反馈包,实时调整其逆变器的输出功率(通过改变电压、频率或占空比),以精确满足Rx的需求,实现稳定、高效的充电。
· 再协商阶段(如需要):
· 逻辑:在充电过程中,如果Rx需要改变充电模式(如从恒流转为恒压),会发起重新协商。
· 决策:Tx响应请求,调整输出参数。