这篇文章是我们独家报道的一部分IEEE期刊手表系列与IEEE Xplore合作。
许多人都热切地期待着有一天,他们可以不再在一堆旧充电线中筛选他们需要的充电线。但是,尽管目前在无线充电方面取得了成功,比如手机等小型设备,但在我们完全实现无线充电之前,还有几个技术挑战需要解决,尤其是涉及到耗电更多的电子产品时。
在一个研究出版于1月23日IEEE电力电子学新兴和选定专题杂志,该领域的专家概述了一些克服这些障碍的方法,包括以更高的频率传输更多的能量,以及在电池过热的情况下优化充电效率。
许淑元他是哈佛大学电气与电子工程学院的教授南洋理工大学他参与了这项研究,几十年来一直致力于无线电力传输(WPT)技术的标准化。Hui说,2010年发布的最初WPT标准仅仅关注于确保一家公司的发射器与另一家公司的接收器兼容。“然而,像最高效率和最短充电时间这样的最佳性能并不是最优先考虑的,”他指出。
实现WPT高效率的一个主要障碍是电池的热极限。通常情况下,电池需要恒定的电压和电流输入才能充电,但这可能会使电池加热到危险的水平。出于安全考虑,商用电池充电器会在电池表面温度达到上限(一般为45°C)时降低甚至停止充电电流。
为了解决这个问题,Hui和他的同事们开发了一种新的温度调节电流控制技术,可以在不过热的情况下缩短充电时间。如果这项技术被WPT电子产品制造商广泛采用,将有助于提高该技术的充电效率。
第二个挑战是一次转移更多的能量。WPT技术利用电磁场传输电力,在给定的时间内,使用更高的电磁频率可以传输更多的电力。然而,这要求硬件能够以极高的速度控制电力传输。
现有的门驱动程序的延迟大约为100纳秒,而Hui开发了一种延迟仅为6纳秒的门驱动程序。这款新的大门司机是他和同事共同开发的成张曼彻斯特大学的研究人员也实现了软开关。这是一种减少开关损耗和电源开关压力的技术,允许在更高频率下使用栅极驱动器。目前,大多数WPT功率逆变器的工作频率都低于1兆赫,但该团队最近的发明可以达到数十兆赫。
在他们的论文中,研究人员强调了优化WPT技术的另一个关键方法。他们呼吁变送器制造商采用效率跟踪技术,以帮助优化充电过程。Hui的团队最近开发的一种方法可以控制发射器在电池充电时动态跟踪WPT系统的最大效率工作点。因此,在整个充电过程中,WPT系统的效率得到了优化。
总之,这些新技术将为WPT技术开启一个新时代。目前,针对移动电话等需要15瓦或更低功率的小型设备,已经制定了相应的充电标准,而针对便携式工具、电动自行车和笔记本电脑等需要200瓦左右功率的中等功率设备,也正在制定相应的标准。
但更大、更耗电的电子设备仍然需要打下基础,Hui和他的同事们计划继续前进。
Hui说:“我们目前正在寻找一个工业合作伙伴来开发和评估[我们开发的]超快门驱动电路,使功率逆变器的工作频率至少达到20兆赫。”他指出,他的团队还申请了一种印刷WPT谐振器的专利,其工作频率在1兆赫到数十兆赫之间,这可以帮助电子设备传输数百瓦范围内的无线功率。