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文檔簡介
1、特斯拉的夢想 泡泡網(wǎng)無線路由器頻道9月28日 不知道大家在這一段時間有沒有注意到這樣的一條新聞:2010年8月31日,國際無線充電聯(lián)盟在北京召開發(fā)布會,宣布qi無線充電國際標準正式發(fā)布。那么,國際無線充電聯(lián)盟是一個什么樣的組織,qi無線充電國際標準又到底是一種什么標準呢?還是讓我們從一百年前說起最好。特斯拉(Nikola Tesla,18561943) 不知道上面的這個人大家熟悉不熟悉?但是我相信凡是學(xué)過電氣工程的人都不會忘記這個人。特斯拉,這位美國籍的克羅地亞人,一生最大的抱負,即為實現(xiàn)全球電力的無
2、線傳輸。沃登克里佛廣播塔 1900年,特斯拉籌建了沃登克里佛廣播塔(Wardenclyffe Tower 也被稱為Tesla Tower)。在他的構(gòu)想中,特斯拉把地球作為內(nèi)導(dǎo)體,地球電離層作為外導(dǎo)體,通過他的放大發(fā)射機所特有的徑向電磁波振蕩模式,在地球與電離層之間建立起低頻共振,利用環(huán)繞地球的表面電磁波來進行能量的傳輸。雖然這項實驗最終沒有完成,但是特斯拉卻通過它成為了現(xiàn)代無線電通訊的鼻祖。然而在無線能量傳輸方面,一個世紀過去了,這項研究依然進展緩慢。神鬼莫測,游戲與傳說中的無線能量傳輸 從特斯拉的設(shè)想中,我們完全可以想
3、象出一個被能量包圍著的地球,不需要電線燈泡就會亮,不需要電線電車就會跑,多么美好的世界啊。于是,正是被這樣的美好愿望所驅(qū)策著,人們對于電能的無線傳輸有著各種各樣的期望。磁暴線圈,這個大家都熟悉吧? 這張圖大家都熟悉吧。耀眼的磁暴線挾裹著邪惡的氣息瞬間就讓你灰飛煙滅,這就是能量無線傳輸?shù)囊环N。雖然它只是游戲中的一個虛擬事物,但是根據(jù)特斯拉的理論,這種武器,完全能夠變?yōu)楝F(xiàn)實。不信,咱們就接著往下看。效果炫目的特斯拉線圈 在世界各地,有這樣的一群愛好者,他們熱衷于做出各種各樣的設(shè)備,制造出眩目的人工閃電,這就是特斯拉線圈愛好者。
4、什么是特斯拉線圈?一個感應(yīng)圈、變壓器、打火器、兩個大電容器和一個初級線圈僅幾圈的互感器組在一起,然后使用變壓器將普通電壓升高,電流經(jīng)過兩極線圈產(chǎn)生頻率極高功率極小的高壓電流,最后通過放電終端進行放電的一種東西。由于能特斯拉線圈在放電過程中會發(fā)出炫目的閃電效果,因此在全世界擁有了一大批的擁躉。而紅警中的磁暴線圈,就是從這里發(fā)端而來的。傳說中被傳送到異域空間的”愛爾德里奇“號 關(guān)于無限能量的傳輸,最為詭異的事件,要數(shù)1943年美軍的“費城實驗”了。1943年10月,美國海軍在費城進行了一次人工磁場的機密試驗,實驗成功地將“愛爾德里奇”號驅(qū)逐艦及全體船員投入另一空
5、間。在實驗過程中,實驗人員啟動脈沖和非脈沖器,使船只周圍形成了一個巨大的磁場。隨后整條船被一團綠光籠罩著,船只和船員也開始從人們的視線中消失。實驗終止時,艦船已被移送到了479公里以外的諾福克碼頭。此后,一些船員身上仍留有實驗的反應(yīng),不論在家里,在街上,在酒吧間或飯店里,都會突然地消失又重現(xiàn),讓旁觀者驚訝不已。參與這項實驗的吉索普(Morris K.Jessup)博士認為,強烈的磁云能夠重新排列人類和物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu),使其進入另外的時空直到現(xiàn)在,美軍依然矢口否認曾經(jīng)做過這樣的實驗。國際無線充電聯(lián)盟與Qi標準 在上面那個詭異偽科學(xué)傳說中,至少還有一點是正確的:
6、磁場可以作為能量無線傳輸?shù)妮d體。國際無線充電聯(lián)盟所發(fā)布的qi標準,正是建立在這一理論之上的。國際無線充電標準Qi標志 無線充電聯(lián)盟(Wireless Power Consortium)成立于2008年12月17日,是業(yè)界第1個推動無線充電技術(shù)標準化的組織,現(xiàn)有成員包括ConvenientPower、Duracell、Hosiden、Fulton Innovation、Leggett & Platt、美國國家半導(dǎo)體、諾基亞、奧林巴斯、飛利浦、三星電子、三洋電機、深圳桑菲、ST-Ericsson及德州儀器等,涵蓋電池、消費電子、芯片、設(shè)備制造、基礎(chǔ)設(shè)施及
7、無線充電技術(shù)等領(lǐng)域。2010年8月31日,Qi標準正式發(fā)布 2010年8月31日,國際無線充電聯(lián)盟在北京正式發(fā)布了全球首個無線充電標準以及該標準的認證標注Qi。從發(fā)布的該標準來看,Qi標準首先獲得了眾多手機廠商的支持,而且在Qi標準的引導(dǎo)下,手機充電接口,將有希望首次獲得統(tǒng)一,這對于現(xiàn)代人的生活來說,將意味著我們終于可以擺脫各種紛繁復(fù)雜的手機充電器的困擾。Qi標準中關(guān)于無線充電技術(shù)原理的圖釋 在本頁的開頭我提到過,無線充電的原理非常簡單,而這次國際無線充電聯(lián)盟所發(fā)布的Qi標準既是建立在這個基礎(chǔ)之上。無線充電系統(tǒng)的簡易結(jié)構(gòu)圖
8、 中學(xué)時代我們的學(xué)過電磁感應(yīng)定律,閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場中做切割磁感線運動,導(dǎo)體中就會產(chǎn)生電流。這種現(xiàn)象叫電磁感應(yīng)現(xiàn)象。產(chǎn)生的電流稱為感應(yīng)電流。說簡單了,無線充電,就是要讓充電器和充電設(shè)備之間充滿磁場,然后利用磁場來進行電力的傳輸。無線充電技術(shù)進階講堂 這里我們想先簡單的介紹一下無線充電的技術(shù)原理,如果您想對無線充電技術(shù)了解的更加深入,那就隨我們一同進行探討吧。在了解無線充電之前,我想我們應(yīng)該先來認識幾個有關(guān)的名詞。 松散耦合:兩個本來分開的電路之間或一個電路的兩個本來相互分開的部
9、分之間的交鏈。可使能量從一個電路傳送到另一個電路,或由電路的一個部分傳送到另一部分。根據(jù)兩個電路或者器件之間的接觸關(guān)系,我們可見簡單的將其分為直接耦合和松散耦合。在無線充電技術(shù)中,將應(yīng)用到松散耦合技術(shù)。 功率補償:功率補償在目前的無線充電技術(shù)中將會是一個非常重要的工作環(huán)節(jié)。我們知道無線充電系統(tǒng)中變壓器的原邊和副邊之間的耦合介質(zhì)為空氣,因此在電能傳輸過程中存在較大的漏感,因此需要在變壓的原邊和副邊分別通過串聯(lián)電容來組成諧振電路對傳輸功率進行補償,以提高功率傳輸能力,補償傳輸過程中的功率損耗。無線充電系統(tǒng)拓撲圖 上面的這幅圖就
10、是無線充電系統(tǒng)中一種典型的拓撲結(jié)構(gòu)。從圖上我們可以看出,電流的整體流向是從電源開始,經(jīng)過變壓器,在變壓之后經(jīng)過補償,通過變壓器的原邊作為磁場信號傳輸出去,副邊接收到磁場信號之后,首先進行功率補償,以彌補在無線傳輸過程中損失的電磁信號。然后經(jīng)過整流之后,傳輸給負載端。下面我們再結(jié)合電路圖詳細的來闡述一下無線電力傳輸?shù)倪^程。Qi標準中的電流功率轉(zhuǎn)換電路圖 上面這張圖即是Qi標準所提供的技術(shù)文檔的一部分,這張圖比較生動的說明了無線充電系統(tǒng)是如何運行的。首先我們來看左側(cè)的PowerConversion部分,交流電從最左側(cè)輸入系統(tǒng)之后,Half Bridge(半橋)開
11、關(guān)自動接通電路,Cp為串行諧振電容,Lp則是初級線圈。但是和我們平時所見的自耦變壓器中的初次級線圈不同,該初級線圈為按照一定方式排列的線圈所構(gòu)成的充電平面,即我們現(xiàn)在已經(jīng)見到的充電板,譬如下圖。工作中的無線充電系統(tǒng) 電流通過充電板上的特殊線圈陣列,由充電板發(fā)射出一定頻率的均勻電磁場。至此,充電板上方的空氣中,已經(jīng)充滿了電磁信號。圖的右側(cè)PowerConversion部分,則是接收電路的運行模式。接收端,即待充電設(shè)備在接收到變壓器原邊發(fā)射出的磁場之后,首先通過了Impedance Matching(阻抗匹配)裝置對接收到的電磁信號進行相應(yīng)的補償,以保證所接收電
12、磁信號的完整,然后再通過位于圖最右側(cè)(Multiplexer)的震蕩電路,將轉(zhuǎn)化好的電信號傳輸給需要充電的相應(yīng)設(shè)備。至此,整個充電過程完成。而上圖中的整個電路,即構(gòu)成了無線充電技術(shù)中一個至關(guān)重要的元器件:松散耦合變壓器。 相信看到這里,我們應(yīng)該已經(jīng)對無線充電的技術(shù)有了一個大概的了解,那么在現(xiàn)實中,現(xiàn)在又有哪些產(chǎn)品已經(jīng)使用了無線充電技術(shù)呢?現(xiàn)實中的無線充電產(chǎn)品 雖然國際無線充電聯(lián)盟在8月底才發(fā)布了自己的無線充電標準,但是作為一項面向未來的一款能改變我們未來生活方式的一項技術(shù),無線充電技術(shù)早已為眾多的廠商所覬覦,因此我們也在
13、市面上能夠發(fā)現(xiàn)已經(jīng)采用了這種技術(shù)的先鋒產(chǎn)品。海爾發(fā)布的“無尾電視”,率先在家電產(chǎn)品中采用了無線電力傳輸技術(shù)戴爾Latitude Z系列筆記本,在PC類產(chǎn)品中首先采用了無線充電技術(shù)深圳高倚盛生產(chǎn)的GYS-1型無線充電器安利無線充電凈水器無線電力傳輸,改變我們的生活 看過了這些產(chǎn)品,相信我們都會對未來的無線生活充滿了渴望,那么無線電力傳輸技術(shù)到底能給我們的生活帶來什么樣的改變呢?上世紀90年代,無線電力傳輸僅能勉強點亮一盞12瓦燈泡 先說說室內(nèi)的吧。首先是方便,由于沒有了各種插頭和插座,從而在根本上避免了接觸不良、插拔困難等
14、現(xiàn)象。其次我想應(yīng)當就是安全了,我們知道在有線的電力傳輸中,由于各種連接線的接觸會產(chǎn)生電火花,從而引發(fā)火災(zāi)或者爆炸,而無線電力傳輸則完全避免了這一點。還有就是由于沒有了裸露在外的電線接頭,避免了觸電的發(fā)生。 讓我們再來看看日常生活以外的。在野外工作時,由于電力傳輸線路存在機械接觸,因此多多少少都會存在發(fā)生線路故障的隱患。而無線電力傳輸由于沒有了這些線路的存在,不僅電力傳輸更為可靠,而且還完全避免了摩擦、腐蝕、天氣、灰塵等等多種不利于有線電力傳輸?shù)囊蛩?。而且在野外,無線電力傳輸將會極大的節(jié)省電力傳輸?shù)某杀荆驗樵诂F(xiàn)行的情況下,電力傳輸?shù)木€路架設(shè)成本往往是用電設(shè)備
15、成本的數(shù)倍甚至數(shù)十倍。麻省理工為我們展示的兩米距離無線電力傳輸點亮60瓦燈泡 再來看看醫(yī)療,就讓我們舉個最常見的例子吧。心臟起搏器大家應(yīng)該都聽說過,目前狀況下的心臟起搏器植入人體之后,8-10年左右就需要更換電池。也就是說,雖然安裝了心臟起搏器,那么每隔8-10年就還需要再動一次手術(shù)來進行起搏器電池的更換。試想一下如果心臟起搏器采用了無線充電的技術(shù),是不是省事多了?更不會發(fā)生手術(shù)失敗、胸腔感染等情況,患者的術(shù)后生活質(zhì)量竟會得到極大的提升。 僅僅從這幾個方面,我們就已經(jīng)能夠窺見無線電力傳輸能夠為我們未來的生活帶來怎樣的變化。
16、但是,無線電力傳輸畢竟還是一項剛剛走出實驗室的技術(shù),顯而易見,現(xiàn)階段的它并不完美。真正的無線生活,還需要我們耐心等待 前面我們已經(jīng)較為詳細的梳理了無線電力傳輸?shù)钠鹪?、發(fā)展以及基本的技術(shù)原理,雖然現(xiàn)在已經(jīng)有了應(yīng)用了這項技術(shù)的產(chǎn)品出現(xiàn),但是平心而論,這些產(chǎn)距離理想的無線充電技術(shù)還有不小的差距。 當前無線充電最大的困難就是無線電力傳輸?shù)木嚯x和傳輸?shù)墓β省T谇懊嫖覀冋f過,在能量的無線傳輸中,由于將空氣當做耦合介質(zhì),因此在能量的傳輸過程中,充當電力載體的磁力線會有極大的損耗,正是這個損耗的存在,決定了在現(xiàn)階段電力還不能夠進行大功率
17、遠距離的無線傳輸。而且,由于充電器與被充電設(shè)備之間是以磁場的形式連接,各種各樣的感染將會不可避免,這樣的干擾同樣也會造成能量傳輸?shù)膿p耗。根據(jù)這次國際無線充電聯(lián)盟所發(fā)布的Qi標準來看,無線充電器的電能轉(zhuǎn)換效率僅為有線充電器的70%,而充電距離,還沒有做到真正的無線傳輸,仍然需要充電設(shè)備與充電板相接觸才行。當然,距離特斯拉曾經(jīng)設(shè)想的全球電力無線傳輸更是相差十萬八千里。 其次,我們現(xiàn)在每天都在說輻射輻射,女人怕輻射損害皮膚,男人怕輻射損害身體,孕婦怕輻射損害寶寶,老人怕輻射加速衰老,那無線充電呢?無線充電在這里主要包括兩個層面。一是如何保證電磁波只輻射到手機接收部分,不會影響到人體健康,或干擾其他設(shè)備;二是讓電磁輻射在錯誤使用情況下不至于損壞電池和充電器,比如識別無線充電器上的異物,防止鋰電池過熱導(dǎo)致的變形或爆炸的危險等。對人體
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