無線充電技術(shù)的研究與應(yīng)用

1、無線充電技術(shù)的研究與應(yīng)用一、背景通常電能的傳輸主要是通過導(dǎo)線進行的。對電器設(shè)備中的蓄電池充電，一般是通過電流電壓變換控制電路和插頭、插座等接口的物理連來實現(xiàn)的。這種電能傳輸方式在進行大功率充電時存在高壓觸電的危險，且在水下，采礦，化工等對防水，防爆要求很高的環(huán)境下，這種連接容易受到腐蝕、水、灰塵和污物的影響，使得系統(tǒng)的安全性、可靠性及使用壽命較低，且極易引發(fā)事故，極大地限制了惡劣條件下電能的傳輸。無接觸能量傳輸技術(shù)正是為了彌補這些不足而發(fā)明的一種基于高頻逆變技術(shù)和磁耦合技術(shù)的新技術(shù)。近年來，無接觸能量傳輸技術(shù)受到了國際上學(xué)術(shù)界和工程技術(shù)界的廣泛矚目，已經(jīng)在集裝箱起重機，傳送設(shè)備，深海采油，地下

2、采礦，水下機器人，醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀無線電能傳輸技術(shù)（Wireless Power Transfer Technology）又稱無接觸電能傳輸（Contactless Power Transmission，CPT）技術(shù)早在1890年，著名電氣工程師（物理學(xué)家）尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)就已提出。無線充電技術(shù)的研究應(yīng)用涉及領(lǐng)域廣泛，傳輸功率相差較大，小到用于生物移植的幾十毫瓦、小型設(shè)備幾十瓦的功率，大到電動汽車或運動機器人的上千瓦功率以及磁懸浮列車應(yīng)用的上兆瓦功率。2007年，MIT(Massachusettes Institute of T

3、echnology 美國麻省理工學(xué)院）無線傳能實驗中發(fā)射諧振器和接收諧振器是半徑為3mm的銅線纏繞5.25圈、線圈半徑300mm、高度200mm，具備分布式電感和電容特性的線圈型諧振器，實驗測得其諧振頻率為9.90MHz。在諧振器距離2m傳輸時傳輸效率約為40，距離為1m時傳輸效率可高達90。用兩米外的一個電源，“隔空”點亮了一盞60瓦的燈泡。如圖1所示。2008年12月17日成立無線充電聯(lián)盟（Wireless Power Consortium），2010年8月31日，無線充電聯(lián)盟在北京正式將Qi無線充電技術(shù)引入中國。無線充電技術(shù)采用統(tǒng)一的工業(yè)標準，未來幾年，手提電話、PMP/MP3播放器、數(shù)

4、字照相機、手提電腦等產(chǎn)品都可以使用全新的低能耗、高兼容的相同的無線充電器。圖1 MIT用無線傳輸點亮2m外的60W電燈2008年8月，Intel西雅圖實驗室的Joshua R.Smith研究小組基于磁諧振耦合無線能量傳輸技術(shù)開發(fā)出可為小型電器充電的無線傳能裝置能夠?qū)崿F(xiàn)在1m距離內(nèi)給60W燈泡提供電能，效率可達75%。如圖2所示。圖2 Intel西雅圖實驗室現(xiàn)在1m距離內(nèi)給60W燈泡無線供電圖3 美國匹茲堡大學(xué)孫民貴教授的體內(nèi)無線傳能實驗美國匹茲堡大學(xué)孫民貴教授所領(lǐng)導(dǎo)的課題組對體內(nèi)植入電子器件的無線傳能進行了深入研究，他們采用薄膜型螺旋線圈諧振器，實驗中在20cm傳輸距離時傳輸效率可達50%。如

5、圖3所示。2009年，德州儀器（TI）和Fulton（eCoupled技術(shù)）公司合作開發(fā)電源芯片用于控制非接觸式充電。Fulton公司與TI在CES2009上展示了一款專為iPhone打造的無線充電器，但前提是iPhone必須使用改裝后的專用電池。如圖4所示。WildCharge公司也已經(jīng)開始銷售一些無線充電設(shè)備。如圖5所示。 圖4 CES2009 Powermat展出的無線充電板2010年1月，在美國CES展覽會上，海爾公司推出了“無尾電視”。如圖6所示。 圖5 正在為摩托羅拉的RAZR手機充電的WildCharge 圖6海爾公司推出了“無尾電視”2010年，日本富士通公司利用磁諧振無線電能

6、傳輸技術(shù)實現(xiàn)為一個以上的設(shè)備充電。實驗結(jié)果顯示無線傳輸距離大約在15厘米左右，而且對多個設(shè)備充電時，設(shè)備相對于充電器的位置沒有任何限制。采用這項技術(shù)研制的充電系統(tǒng)所需要的充電時間只有當前的一百五十分之一。如圖7所示。圖7 日本富士通公司演示無線電能傳輸技術(shù)實現(xiàn)為一個以上的設(shè)備充電2010年中國CE創(chuàng)新設(shè)計盛典上，戴爾展示了一臺無需電源的筆記本電腦LatitudeZ，據(jù)報道，這是全球第一臺配有無線感應(yīng)充電基座的筆記本電腦。如圖7所示。圖8 戴爾展示了一臺無需電源的筆記本電腦LatitudeZ2010年11月，英國HaloIPT公司在倫敦宣布，利用其最新研發(fā)的感應(yīng)式電能傳輸技術(shù)成功實現(xiàn)了為電動汽車

7、無線充電。日本也在進行這方面的研究。英特爾計劃在2013年下半年將自己的無線充電技術(shù)帶入新的Ultrabook當中，并稱該技術(shù)為WREL(Wireless Resonant Energy Link)。除了Ultrabook之外，英特爾還計劃將這項技術(shù)用到基于英特爾芯片的智能手機上。該技術(shù)以超級本為充電源，配置了相關(guān)軟件以及傳輸發(fā)射器。英特爾表示，這種方式可以降低功耗，當然對于用戶來說，“方便”則是最大的吸引力。如圖8所示。圖8 英特爾推無線充電技術(shù)或成為超級本新標準香港城市大學(xué)電子工程學(xué)系許樹源教授在早幾年曾成功研制出“無線電池充電平臺”，需要產(chǎn)品與充電器接觸，它主要利用的是近場電磁耦合原理。

8、哈爾濱工業(yè)大學(xué)朱春波教授采用直徑50cm螺旋銅線圈串接電容的方式構(gòu)成諧振器，實現(xiàn)在0.7m距離時傳輸23W的能量，在傳輸距離為55cm時負載電壓獲得最大值，其最高傳輸效率接近50%。如圖9所示。 圖9 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的無線傳能裝置 圖 10 重慶大學(xué)研制的6001000W無線電能傳輸裝置重慶大學(xué)自動化學(xué)院孫躍教授帶領(lǐng)的課題組，攻克了無線電能傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)難題，建立了完整的理論體系，研制出的無線電能傳輸裝置能夠輸出600W至1000W的電能，傳輸效率為70%，并且能夠向多個用電設(shè)備同時供電，即使用電設(shè)備頻繁增減，也不會影響其供電的穩(wěn)定性。如圖10所示。香港理工大學(xué)傅為農(nóng)教授帶領(lǐng)的課題組對感應(yīng)耦合

9、無線電能傳輸技術(shù)和磁諧振耦合無線電能傳輸技術(shù)進行了深入的研究，并對兩種無線電能傳輸方式進行了比較。他們采用平面薄膜諧振器，實驗中，在發(fā)射諧振器和接收諧振器相距20cm時，傳輸效率為46%，諧振頻率為5.5MHz。然而如果利用感應(yīng)耦合無線電能傳輸方式實現(xiàn)相同的傳輸效率，傳輸距離在0.5cm之內(nèi)。華南理工大學(xué)張波教授帶領(lǐng)的課題組從電路角度分析諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)傳輸效率與距離、線圈尺寸等之間的關(guān)系；設(shè)計制作了多組不同線圈參數(shù)的諧振耦合電能無線傳輸裝置，進行比較實驗，以實現(xiàn)諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)優(yōu)化的目標；設(shè)計頻率跟蹤系統(tǒng)，解決了諧振耦合電能無線傳輸中由于諧振頻率失諧帶來的傳輸效率低下問題。在

10、2010中國消費電子展（CCEF）上，深圳市啟欣科技有限公司展示的一款新型手機無線充電器，利用的也是電磁感應(yīng)原理。該款無線充電器在接收端接入AD-DC轉(zhuǎn)換電路，向?qū)Υa成功的手機提供5V直流電壓，能量傳輸效率達到70%，并用異物檢測、過流保護等功能。據(jù)悉，參加中國電子展的多家手機廠商及運行商等，都對這一可以解決充電器接口不統(tǒng)一問題的無線充電平臺表示出濃厚的興趣。Powermat公司在2009年10月份發(fā)布了幾款無線充電器系列產(chǎn)品，該系列產(chǎn)品主要由底座和無線能量接收器組成，其中底座部分采用了超薄型設(shè)計，而系統(tǒng)中的通用能量接收器則可與被充電設(shè)備連接在一起。除了通用接收器之外，Powermat公司還專

11、門為iPhone，iPod，任天堂游戲掌機，黑莓手機等產(chǎn)品設(shè)計了專用的無線能量接收器的無線充電器。如圖11所示。體內(nèi)診療方面，主要有日本的東京大學(xué)、東北大學(xué)、武藏工業(yè)大學(xué)、美國的密蘇里大學(xué)哥倫比亞分校等等，國內(nèi)的重慶大學(xué)、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)等都在進行感應(yīng)式無線能量傳輸技術(shù)的研究。國內(nèi)南京航空航天大學(xué)航天電源實驗室也對電動汽車的無線能量傳輸技術(shù)的幾種模式進行了研究。無線充電技術(shù)被用于太空發(fā)電。太空發(fā)電站。該太陽能電站將電能通過無線傳輸方式傳遞給空間飛行器或地球表面用戶。如圖12所示。多方角逐無線充電標準無線充電聯(lián)盟：據(jù)預(yù)測，到2016年，全球無線充電市場產(chǎn)值可能達到270美元，未來無線充電技

12、術(shù)將會像藍牙一樣普及。 圖11 Powermat公司為手機開發(fā)的無線充電器 圖12 天空發(fā)電站三、無線充電的主要幾種方式目前無線電力傳輸領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)了幾種相對成熟的技術(shù)方案。其一是電磁感應(yīng)式，這也是目前最為常見的無線電力傳輸方式，通過發(fā)射端和接收端的線圈相互感應(yīng)產(chǎn)生電流，從而實現(xiàn)電力傳輸；其二是電磁共振式，這是一種目前正在研究中的無線電力傳輸方式，其原理是將能量發(fā)送和接收裝置調(diào)整到相同的頻率或者特定的頻率上實現(xiàn)共振，從而在它們之間實現(xiàn)能量的彼此交換；其三是無線電波式，這也是一種技術(shù)相對成熟的無線電力傳輸方式，其原理與早期使用的礦石收音機相類似，即利用微型高效接收電路捕捉從障礙物反射回來的無線電

13、波，然后將之轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流電壓。1.電磁感應(yīng)方式無線充電是一種有關(guān)生活方式的科技成就，就像藍牙和Wi-Fi無線上網(wǎng)，它將會從根本上改變?nèi)藗兊纳罘绞?。圖13 電磁感應(yīng)無線充電原理框圖無線充電的基本原理：利用電磁感應(yīng)原理進行充電的設(shè)備，類似于變壓器，在發(fā)送和接收端各有一個線圈，發(fā)送端線圈連接有線電源產(chǎn)生電磁波信號，接收端線圈感受發(fā)送端的電磁信號從而產(chǎn)生電流給用電設(shè)備。如圖13所示，無線充電技術(shù)需要兩個設(shè)備：RX(接收裝置，就是需要充電的產(chǎn)品)，TX（發(fā)射裝置）。電流流過線圈會產(chǎn)生磁場。其他未通電的線圈靠近該磁場就會產(chǎn)生電流。無線充電應(yīng)用了這種稱為“電磁感應(yīng)”的物理現(xiàn)象（左）。將可與磁場振動共振

14、的線圈排列起來，可以延長供電距離（右）。如圖14所示。圖14 “電磁感應(yīng)”的物理現(xiàn)象示意圖圖15 電磁感應(yīng)無線充電產(chǎn)品示意圖圖16 無線充電的應(yīng)用事例電磁感應(yīng)方式，送電線圈與受電線圈的中心必須完全吻合。稍有錯位的話，傳輸效率就會急劇下降。如圖17、18所示靠移動送電線圈對準位置來提高效率。圖17 松下的無線充電板圖18 日立的無線充電板目前，市場上支持無線充電的智能手機和充電器大部分都符合總部位于美國的業(yè)界團體“無線充電聯(lián)盟（WPC）”所制定的“Qi”規(guī)格。Qi源自漢語“氣功”中的“氣”，無線充電方式包括“磁共振”及“電波接收”等多種方式，Qi采用的是“電磁感應(yīng)方式”。通過實現(xiàn)標準化，只要是帶

15、有Qi標志的產(chǎn)品，無論是哪家廠商的哪款機型均可充電。如圖19所示。圖19 “無線充電聯(lián)盟（WPC）”產(chǎn)品展示英國HaloIPT公司在倫敦利用其最新研發(fā)的感應(yīng)式電能傳輸技術(shù)成功實現(xiàn)為電動汽車無線充電。在展示過程中，該公司將電能接收墊安裝于雪鐵龍電動汽車車身下側(cè)，這樣電池就可以通過無線充電系統(tǒng)進行無線充電。如圖20所示。圖20 英國HaloIPT公司在倫敦展示的電動汽車無線充電器如圖21所示，是無線充電電動牙刷產(chǎn)品和原理示意圖。如圖22所示，是一種無線充電器發(fā)送和接收原理電路圖。 圖21 電動牙刷無線充電示意圖2.磁共振方式磁共振方式的原理與聲音的共振原理相同。排列好振動頻率相同的音叉，一個發(fā)聲的

16、話，其他的也會共振發(fā)聲。同樣，排列在磁場中的相同振動頻率的線圈，也可從一個向另一個供電。當兩個裝置調(diào)整到相同頻率，或者說在一個特定的頻率上共振，它們就可以交換彼此的能量。相比電磁感應(yīng)方式，利用共振可延長傳輸距離。磁共振方式不同于電磁感應(yīng)方式，無需使線圈間的位置完全吻合。如圖14和圖22所示。2010年9月報道，富士通的無線充電技術(shù)利用磁共振在充電器與設(shè)備之間的空氣中傳輸電荷，線圈和電容器則在充電器與設(shè)備之間形成共振。富士通表示這一系統(tǒng)可以在未來得到廣泛應(yīng)用，例如針對電動汽車的充電區(qū)以及針對電腦芯片的電量傳輸。采用這項技術(shù)研制的充電系統(tǒng)所需要的充電時間只有當前的一百五十分之一。目前，日本計劃在2

17、012年設(shè)置充電網(wǎng)點。圖22 磁共振方式無線充電技術(shù)應(yīng)用示意圖2010年9月報道，富士通的無線充電技術(shù)利用磁共振在充電器與設(shè)備之間的空氣中傳輸電荷，線圈和電容器則在充電器與設(shè)備之間形成共振。富士通表示這一系統(tǒng)可以在未來得到廣泛應(yīng)用，例如針對電動汽車的充電區(qū)以及針對電腦芯片的電量傳輸。采用這項技術(shù)研制的充電系統(tǒng)所需要的充電時間只有當前的一百五十分之一。目前，日本計劃在2012年設(shè)置充電網(wǎng)點。3.無線電波方式無線電波發(fā)射原理無線電波是由開放電路發(fā)射出去的。在實際應(yīng)用中常把開放電路的下端跟地連接，常叫做地線，線圈上部接到比較高的導(dǎo)線上，叫做天線。天線和地線形成了一個敞開的電容器，電磁波就是由這樣的開

18、放電路發(fā)射出去的。電視發(fā)射塔要建得很高，是為了使電磁波發(fā)射得較遠。實際發(fā)射無線電波的裝置中還需要在開放電路旁加一個振蕩器圖23 無線電波發(fā)射示意圖電路與之耦合，如圖23所示。振蕩器電路產(chǎn)生的高頻率振蕩電流通過L2和L1的互感作用，使L1也產(chǎn)生同頻率的振蕩電流，振蕩電流在開放回路中激發(fā)出無線電波，向四周自由空間輻射。2008年，Powercast公司表示，其研制的微型高效接收電路，可以捕捉到從墻壁彈回的無線電波能量，在隨負載作出調(diào)整的同時保持穩(wěn)定的直流電壓。只需一個安裝在墻身插頭的發(fā)送器，以及可以安裝在任何低電壓產(chǎn)品的“蚊型”接收器，Powercast解決方案就可以將無線電波轉(zhuǎn)化成直流電，在約1

19、米范圍內(nèi)為不同電子裝置的電池充電。如圖24所示。 圖24 Powercast的無線充電平臺 圖25 日本的龍谷大學(xué)的無線充演示模型4.微波和激光的無線能量傳輸技術(shù)微波無線能量傳輸技術(shù)目前尚處于研發(fā)階段，其技術(shù)優(yōu)點是成本較低，技術(shù)瓶頸是效率太低，而且容易發(fā)熱，損壞設(shè)備。日本的龍谷大學(xué)發(fā)布了一項技術(shù)成果：移動式無線充電系統(tǒng)，使用的頻率為2.45GHz的微波。但是實驗并不是用實車進行的，而是用的一個警車模型，通過微波送電，點亮了行駛中的模型警車的警燈。如圖25所示。2009年，Lasermotive使用激光二極管，在數(shù)百米的距離傳輸了1千瓦以上的功率，打破了多項世界紀錄，并贏得了美國航空航天局（NA

20、SA）的大獎。4、 無線充電技術(shù)對比分析現(xiàn)在研究較多，技術(shù)較為成熟的充電方法主要包括電磁感應(yīng)方式、無線電波方式和點磁共振方式，這幾種方法工作原理、傳輸功率大小、傳輸距離、傳輸效率和適用條件相差很大，如表1所示，對幾種方法做了一個對比分析。所以科研人員在開發(fā)實用電子產(chǎn)品時，必須根據(jù)產(chǎn)品的具體工作條件和環(huán)境等進行折中，選擇合適的無線傳輸方法，方能設(shè)計工作可靠、高效、低成本電子產(chǎn)品。表1 幾種無線充電技術(shù)的對比技術(shù)種類傳輸功率傳輸距離特點電磁感應(yīng)幾瓦幾百千瓦1cm被充電線圈必須置于充電器附近，終端產(chǎn)品中的次級線圈和電路之間必須進行屏蔽，充電電器必須具備對充電產(chǎn)品進行識別的能力，否則會向周圍任何金屬產(chǎn)

21、品產(chǎn)生能量傳輸，導(dǎo)致發(fā)熱產(chǎn)生危險無線電波上百毫瓦約10m傳輸功率小，無法在短時間內(nèi)完成手機等電子產(chǎn)品的充電任務(wù)；效率低，發(fā)射器發(fā)射的大量功率以無線電波的形式被浪費掉電磁共振幾千瓦34m必須對所用頻率進行保護五、基于射頻能量收集無線充電器的研究與應(yīng)用1.項目需求為確保110kV高壓輸電線路的安全運行，需要在水電線路使用尋線機器人，各種狀態(tài)檢測的傳感器，需要從110kV高壓輸電線路獲取小功率供給尋線機器人、智能傳感器系統(tǒng)。要求必須建立無線傳能、充電系統(tǒng)，以提供控制系統(tǒng)必須的能量。2.方案論證在電力傳輸中，為了保證輸電線路的安全與暢通，必須定期檢查輸電線路。電力線路由于是野外，遠距離、環(huán)境復(fù)雜多變，

22、受四季氣候、雨雪天氣影響，高電壓環(huán)境，人工定時檢查不僅耗時、費力，維護人員更加不安全，這些因素大大增加了維護成本。運用尋線機器人自動巡檢輸電線路，清除線路冰雪或異物，不僅安全而且效率高。與此同時，可以在高壓輸電線路上適當?shù)奈恢冒仓锰厥獾膫鞲衅鳎瑢⒎从掣邏狠旊娋€路的狀態(tài)、物理姿態(tài)等物理量隨時傳輸?shù)诫娏χ笓]、監(jiān)測中心，可以快速、及時發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)的故障、或潛在的因素，確保輸電線路的運行安全更加有保障。輸電線路尋線機器人、傳感器都需要能量供給。由于傳感器量大面廣，尋線機器人分布在高電壓的輸電線路上，若要人為定期給它們充電或者更換電池耗時、費力耗資巨大。若能從高壓輸電線上獲取電能為它們供電，意義非常重大

23、。通電線圈周圍能產(chǎn)生磁場，通過電磁感應(yīng)原理，就可以在單根高壓傳線上獲取電能，將此電能經(jīng)過變換、穩(wěn)壓后給尋線機器人供電。由于傳感器所需能量非常小，又不能直接運用電磁感的方法給它供電，但是若將電磁感應(yīng)產(chǎn)生的部分電能，通過整流變換成直流穩(wěn)定電壓，然后再定向發(fā)射射頻給遠處（幾米或幾十米外）的傳感器，在傳感器上集成射頻能量接收器，從而將射頻能量轉(zhuǎn)換成電能，為傳感器提供微能量，以便于傳感器獲取與傳輸數(shù)據(jù)。將高壓線路上獲得的電能經(jīng)過變換，通過電磁感應(yīng)或電磁輻射從而從根源上解決了無線傳感器的供能問題。通過上述的分析，幾種無線電能傳送技術(shù)中，無線電波式，適用于較遠距離的應(yīng)用，且更加適合于無線傳感器等微功耗器件。

24、3. 射頻能量收集應(yīng)用框圖如圖26所示，是高壓輸電線路自動監(jiān)測系統(tǒng)原理框圖。兩根紅色金屬導(dǎo)線是110KV/50Hz高壓交流電力傳輸線，正常工作時其上有交流電流流動，利用電流互感器可以從電力傳輸線中獲得電能。圖26 高壓輸電線路自動監(jiān)測系統(tǒng)原理框圖圖中標1的部分是自動尋線機器人，尋線機器人正常工作時所需直流電能只能來自輸電線。互感器從電力傳輸線中獲得的電能通過變換電路將其變?yōu)闄C器人工作時需要的功率和穩(wěn)定的直流電壓值。尋線機器人可以在電力上的線上行走，所以必須保證電磁耦合器在連續(xù)正常獲取電能的同時，還能在電力輸電線上靈活移動。圖中標2的部分是無線電能發(fā)射器。圖中標3的部分是無線傳感器，傳感器工作和

25、傳輸數(shù)據(jù)時所需直流電能也來自電力輸電線路。無線電能發(fā)射器首先通過電磁互感器從電力傳輸線中獲得電能，通過變換電路將其變?yōu)橐欢üβ屎湍撤€(wěn)定電壓值的直流，再通過高頻振蕩電路變換成微波向10m外的傳感器定向發(fā)射電磁波。無線傳感器中包含一個微波接收部分，定向接收無線電能發(fā)射器從空中傳過來的電能，并將其整流轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的整流電壓儲存到傳感器的儲能器中，器中還應(yīng)包含微能量的收集、儲存和管理電路。本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)就在于耦合器和遠距離無線電能傳輸電路的設(shè)計。六、射頻能量收集技術(shù)能量采集是實現(xiàn)低功耗電子器件(如無線傳感器)長期免維護工作的一項關(guān)鍵技術(shù)。通過捕獲環(huán)境中的多余能量(如照明、溫差、振動和無線電波(射頻能量

26、)，完全可以讓低功耗電子器件正常工作。在這些微功率能源中，來自射頻發(fā)射器的能量具有獨特的優(yōu)勢，包括隨距離變化可預(yù)測和一致的功率，從而允許能量采集器遠離能源的束縛。環(huán)境射頻能量如今可以從全球數(shù)十億個無線發(fā)射器獲得，包括移動電話、手持無線電設(shè)備、移動基站以及電視/無線廣播臺等。捕獲這類能量的能力有助于創(chuàng)建新的無電池設(shè)備，并允許電池供電設(shè)備通過無線方式實現(xiàn)點滴式充電。除了環(huán)境射頻能量外，還有一種方式是使用專門的發(fā)射器發(fā)送功率，這能使無線電源系統(tǒng)提供更多能量和更高性能的微能量電源。在許多應(yīng)用中這是首選的解決方案，但是，系統(tǒng)成本比較高。政府法規(guī)一般將使用免許可頻帶的無線電設(shè)備輸出功率限制為4W有效全向輻

27、射功率(EIRP)，就像射頻標簽(RFID)詢問器那樣。作為對比，基于模擬技術(shù)的早期移動電話的最大發(fā)射功率為3.6W，而Powercast公司的新款TX91501發(fā)射器功率也為3W。環(huán)境射頻(RF)能量采集有個明顯吸引人的地方，即收集的是完全“免費的”能量。雖然具有這種能力的設(shè)備在充電時可以移動，但許多射頻能量采集方案要求使用指向已知能源(如移動基站)的定向天線。在移動電話領(lǐng)域的應(yīng)用前景是能夠收集足夠多的環(huán)境射頻能量來與移動手機的待機功耗相匹配。如果可能的話，那么移動電話將具有連續(xù)的待機能力，而不僅僅是幾天時間。雖然這種特殊應(yīng)用目前還不現(xiàn)實，但許多系統(tǒng)級要素的匯集正在推動適合其它應(yīng)用的環(huán)境射頻

28、能量采集方案。這些要素包括低功耗元件不斷普及、有更多的發(fā)射器作為能源、無源射頻采集器的射頻靈敏度提升以及低等效串聯(lián)電阻(ESR)雙層電容(也稱為超級電容)的推廣。諸如微控制器等低功耗電子元件的制造商正在不遺余力地降低元件功耗，同時提高性能。來自這些公司的數(shù)據(jù)手冊和其它行銷廣告都在有意宣傳幾個納安級的待機電流，以及能夠從電壓不到1V的電池進行升壓的片上DC/DC轉(zhuǎn)換器。其它元件(如傳感器等)被越來越多地設(shè)計成有助于降低總體系統(tǒng)功耗的無源器件。這對無電池設(shè)備來說尤其重要。通過實時能量采集，無電池設(shè)備可以連續(xù)運轉(zhuǎn)，但如果能量太低，就必須先儲存起來，直到足夠維持一次工作周期。隨著元件功率水平的降低，由

29、能量采集技術(shù)供電的系統(tǒng)可以工作得更加頻繁。無線電發(fā)射器的數(shù)量，特別是用于移動基站和手機的發(fā)射器數(shù)量正在不斷增加。據(jù)ABI Research公司和iSupply公司估計，移動手機用戶數(shù)量近期已經(jīng)超過50億，ITU估計其中有10億多是移動寬帶用戶。此外還有眾多的Wi-Fi路由器以及諸如筆記本電腦等無線終端設(shè)備。在一些城市環(huán)境中，有可能檢測到數(shù)百個Wi-Fi接入點。在短距離范圍內(nèi)，比如同一房間內(nèi)，可以從發(fā)射功率為50mW至100mW的典型Wi-Fi路由器中收集到微小的能量。在更長距離的情況下，需要使用具有更高增益的更長天線才能真正收集到來自移動基站和無線廣播塔的射頻能量。2005年，Powercas

30、t公司在距一個小型5kW AM廣播電臺1.5英里(大約2.4公里)的地方成功演示了環(huán)境能量采集的實現(xiàn)。無源射頻接收器或射頻能量采集器件(如Powercast公司的P2110 Powerharvester接收器)工作時的射頻輸入電平要大于等于-11dBm。提高射頻靈敏度允許在距射頻能量源更遠的距離范圍內(nèi)實現(xiàn)射頻至直流(RF/DC)電源轉(zhuǎn)換，但隨著距離的增加，可用功率將降低，充電時間將延長。低漏電流的能量存儲技術(shù)非常重要，特別是在輸入功率非常低時，這樣才能最大限度地減小采集到能量的損失，使能量采集過程盡可能高效。射頻能量采集器的一個重要性能是在寬范圍的條件下正常工作的能力，包括輸入功率和輸出負載電

31、阻的變化。例如，Powercast的射頻能量采集元件無需額外的耗能電路來實現(xiàn)最大功率點跟蹤(MPPT)，Powercast元件可以在很寬的工作范圍內(nèi)保持較高的射頻至直流轉(zhuǎn)換效率，因而具有跨應(yīng)用和OEM設(shè)備的擴展性。能夠適應(yīng)多頻帶或?qū)拵ьl率范圍并且支持自動頻率調(diào)諧的射頻能量采集電路可以進一步提高輸出電能，也因此能擴展移動性，簡化安裝。Powercast元件采用標準50輸入阻抗設(shè)計，不僅有利于縮短設(shè)計時間，而且支持使用現(xiàn)成的天線。圖27顯示了Powercast P2110 Powerharvester接收器在多個頻段的性能，包括中心頻率為915MHz的工業(yè)-科學(xué)-醫(yī)療(ISM)頻段。圖27 P21

32、10 Powerharvester模塊在三種ISM頻段工作時射頻輸入功率與轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系能量采集技術(shù)捕獲到的能量有幾種存儲方式，包括傳統(tǒng)的可再充電電池、新興的薄膜電池和超級電容。在過去20年中，鋰(鋰離子)電池、鎳氫電池(NiMH)和薄膜電池都有了長足的發(fā)展。隨著能量密度的提高和封裝尺寸的縮小，這些產(chǎn)品已被成功地用于長時間地維持微功率傳感器設(shè)備運轉(zhuǎn)。這些產(chǎn)品的缺點是，就像一次性電池那樣，可再充電電池也有有限的壽命和充電次數(shù)，最終必須要更換。這正是許多行業(yè)需要考慮和研究能量采集與替代性能量存儲方案(如超級電容)的原因。在過去10年中業(yè)界開發(fā)出了低ESR的EDLC（電化學(xué)雙層電容器）電容。這種電容

33、能夠在高脈沖功率應(yīng)用中的接近5V電壓條件下提供數(shù)安的電流。這種EDLC電容體積小，ESR值低(2Om至50m)，容量大(6.8mF至1F)，額定工作電壓范圍是2.5V至20V。這些電容可以提供許多應(yīng)用要求的數(shù)安培的高電流脈沖，比如無線條碼掃描機、智能抄表系統(tǒng)以及許多類型的GSM/GPRS蜂窩應(yīng)用。這些低ESR元件現(xiàn)在還設(shè)計用于微功率能量采集系統(tǒng)等新興應(yīng)用，因為它們具有兩種獨特性能：低漏電流和低ESR?，F(xiàn)在這些電容已經(jīng)代替其它電容或其它小型電池成為這類應(yīng)用的首選。例如AVX公司的BestCap元件就具有低ESR、低漏電流和高電流脈沖特性，非常適合環(huán)境能量采集使用。它們不僅具有很小的ESR值，而且

34、具有不到幾個微安的低漏電流。圖28是EDLC電容的橫截面圖。從圖中可以看到兩個由電解液包圍著的納米顆?；钚蕴紝?，電解液中間則有一個“隔離”層。這兩個碳層與集電極相接觸，并由集電極將電流輸送到外部。這兩個碳層由兩個串聯(lián)電容組成，因此命名為雙層電容或DLC。由于電容內(nèi)的電荷載體實際上處于離子態(tài)，因此使用了術(shù)語電化學(xué)DLC(或EDLC)。這張圖也顯示了簡單的原理，其中電荷主要集中在集電極-碳接口。電容(C)直接正比于有效面積(A)，并反比于這些電荷(或C a A/d)之間的隔離距離(d)。雙層電容的正負電荷之間的間距在納米范圍，這正是EDLC電容容量如此大的原因(因為這個間距要比靜電電容的電荷間距小

35、好幾個數(shù)量級)。圖28 電化學(xué)雙層電容(EDLC)的橫截面圖基于含水電解液的BestCap器件使用質(zhì)子(一種最小的離子)作為電荷載體。與使用較大離子的其它超級電容技術(shù)相比，這種電容設(shè)計方法可實現(xiàn)每單位有效面積更低的ESR。由于其自身設(shè)計實現(xiàn)了更小的漏電流，BestCap架構(gòu)也具有更高的可靠性。這種技術(shù)還可以在相同封裝內(nèi)構(gòu)建不同的電容，最終能夠在同一封裝尺寸下靈活地實現(xiàn)不同的額定電壓。這種封裝內(nèi)部不需要外部平衡。環(huán)境中的無線電波數(shù)量非常龐大，特別是在人口稠密的城市內(nèi)，而且頻率范圍越來越大，功率水平越來越高。如果這種自由流動的射頻能量能夠被有效和高效地采集，那么這些無線電波就能夠成為一種獨特且廣泛可用的