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无线充电类在职毕业论文范文 与无线充电应用的挑战和机遇方面在职毕业论文范文

主题:无线充电论文写作 时间:2024-03-28

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无线电源传输(WPT)技术在不久的未来势将为我们的电力电子世界带来颠覆性创新成果.由MIT分拆出来的WiTricity公司的现任总裁Eric Giler于2009年的精彩TED演讲题目为“无线电力演示”.他演示了如何利用无线电源传输技术替一部小型电视供电,时为2009年.该技术之后一直发展至现在.请继续阅读本文,从而探究及了解到这个让人赞叹的领域如何为设计工程师提供发展和机遇.

最近,我与EPC公司的应用工程副总裁Michael de Rooij博士讨论关于无线电源在2017年的挑战和机遇.我选择与de Rooij博士讨论并与大家分享我们的讨论内容,因为EPC公司是氮化镓功率元件领域的领袖,加上他们为业界设计师提供丰富的设计资源,包括演示板、参考设计及教育资源.此外,de Rooij博士的著作包括?无线电源手册?.

于今年的CES 2017展会上,EPC展示了一部43英吋的平面屏幕高清电视,该电视利用无线电源透过石膏板(sheetrock)为电视供电.在2017年,你将会见到EPC推出基于其先进的氮化镓技术并以无线充电方式为电视供电,可以替代Eric Giler早期所展示以无线充电的电视.

实现较长距离的无线电源传送

我希望de Rooij博士解答目前无线充电应用所遇到的限制及可能性,从而实现较长距离、高效的无线电源传送.如何使得所有消费者接受无线电源传输的效率?氮化镓技术(EPC的eGaN技术)如何继续帮助业界实现无线充电?de Rooij博士首先提到线圈设计的限制.根据经验,目前7”以上的直径,性能会下降.每一组线圈的品质(Q)和线圈之间的耦合系数(k)都会影响长距离的无线充电效率.发射与接收线圈的尺寸和几何学都会分别大大地影响Q和k的数值(参考资料1).图1展示了无线电源传输的基本原理.

de Rooij博士提到,无线电源传输的E-field方法虽然有技术上的问题,可是电能可以长距离传送(普遍关注到的问题包括产生臭氧及与其它材料产生作用,包括生物作用).这种方法可能对在大体积的充电垫上盘旋的无人机进行充电会较好.电场耦合技术最直接应用于源极和负载之间的平行板电容器(parallelplate capacitor),并且配以匹配的输入阻抗,从而实现高效的电源传输.因此,一块板放在无人机的底部,另外一块板放在充电垫上(见图2).

另一个很好的应用是对基于磁共振耦合技术的无人机在盘旋时进行无线充电(见图3).

WPT线圈的目前及未来的技术发展

de Rooij博士说NuCurrent公司目前正在开发面向无线电源传输应用、效率更高的线圈.Nucurrent说他们目前的“天线”比任何印刷天线/线圈/共振器更高效,而在他们目前采用Qi/PMA频率(~200KHz)的设计,效率通常高出20%以上;如果是采用A4WP频率(6.78MHz)或NFC频率(13.56MHz)的设计,效率可以高出60%.

地板砖嵌入无线电源传输线圈是可以帮助电磁场分布的,从而有可能稍微增加电源传送的距离,但最重要的是,这样可以大幅增加功率收集的体积.相比设计单个线圈,在相同的体积下,这是一个更高效的方法.

以无线充电方式为高清电视供电

EPC公司于CES2017展会上所展示的一部平面屏幕高清电视由无线电源供电,是我所见应用中作用最大的,除了Starbucks在部分咖啡店的桌子上备有无线充电装置,替你的智能手机充电.如果你的手机没有配备无线充电功能,他们大多也可以售卖适配器给你 (见图4).

让我们看看在2017年如何以无线充电方式为电视供电.EPC公司选择了43英吋的VizioAD43-D1型号的平面屏幕高清电视(规范可从这里找到:ht tps://www.cnet.com/products/vizio-d43-d1-d-series-43-class-42-5-viewableled-tv/specs/).根据测试,最大功率为85W.之前的几个测试使用了较低功率的20英吋电视.

电视采用基于单位功率因数的交流电(AC),因此负载使用源极所供给的所有能源.由于电视的内部电子需要DC功率,因此并不需要所有AC整流器、大型的电解电容器及桥式二极管.当启动TV时只需用低于5 W.当电视需要较小功率时,无线充电的发射器可以减少传输的功率.

EPC公司在CES所演示的设计的原理图见图6.设计师采用差分ZVS D类放大器来驱动发射线圈(注:差分架构,尤其是频率范围在300MHz以上,可以在单端设计改善EMI.在一个差分设计、相同的接地负载功率,一半的电压在放大器的输出转换).可是,本例子只在高度共振的6.78MHz I band传送功率,与传统的MOET功率元件相比,EPC展示出eGaN FET具备更卓越的性能(参考资料4)

消费者当然希望他们的TV在未来可以完全由无线充电方式供电,使得他们可以容易把TV挂在墙上,或者放在娱乐室.这样,无线充电可以由平面屏幕高清电视应用延伸至应用于白色家电、其它由AC供电的设备、实际上或在功能而言只需DC功率的设备.

无线电源传输使得生活更美好的机遇

采用无线电源传输技术的无人机对Amazon、UPS及Federal Express公司来说可以非常有用,他们也在考虑利用该技术送递货件.医疗应用方面,目前使用电源线并透过皮层的植入式装置可以利用无线电源传输技术降低受感染的机会,包括神经刺激器及心脏辅助泵,以及起搏器、脊椎及神经刺激器都有望有一天当患者于4或5英尺以外睡觉时进行充电.为患者接收信号的线圈的数量可以增加,从而利用无线电源传输技术取得更好的MRI成像、降低成本、摒弃电源线及降低复杂性.

酒吧、咖啡厅及机场可以利用无线电源传输器件;家具、桌子的下一代设计也可以基于无线电源传输器件.至于配备这些器件的墙壁、家具及地板的家居也可以减少甚至完全不使用电源出线口.车载所用的电缆线非常昂贵、不可靠及笨重.无线电源传输技术可以替照明、音频、电话、电动车、雷达及激光雷达等应用供电,以及对电子设备供电而不需使用铜线而限制其在汽车内的充电方式.无线充电也有可能用于座位、车门及行李箱各位置.这样,汽车制造得以模块化和简化而不需要采用专有的架构及设计.

无线电源传输可以预防由危险的火花所引致的爆炸及火灾,例如在加油站、水底、充满氧气的宇航环境、海边的家居/设施、或粮仓粉尘爆炸.高压电缆线将会有一天由无线电源传输技术替代,并有机会实现Nikola Tesla的梦想-在未来,高压无线电源传输应用将会无处不在.

Michael de Rooij博士告诉我们留意今年的应用电力电子会议(APEC 2017)上将有更多关于无线电源传输的创新成果.电子及电力系统的设计将凭着这种新兴的无线充电技术及应用的全新发展而有一天将会永远改变.

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