将无线充电提升到新水平

出处:维库电子市场网 发布于:2023-04-27 15:47:59

传统的无线充电技术,包括基于 Qi 标准的技术,由于效率低下且只能在较低功率水平下运行,因此实际上仅适用于智能手机、可穿戴设备、医疗植入物和物联网产品等小型设备。它们的低效率意味着它们在碳排放方面对环境不友好,而且它们产生的热量会减慢充电速度,因此必须进行散热。

目前,由于需要非常地定位被充电设备以确保有效耦合,因此大多数无线充电体积庞大、价格昂贵且不是特别方便。

图 1:传统的无线充电需要多级转换,影响效率。

Qi 设计也相对复杂(影响效率的一个重要因素),整个转换过程需要五个阶段,如图 1 所示。还值得注意的是,当未满载运行时,效率会迅速下降。

下一代无线充电

为了解决传统方法的局限性,Eggtronic开发了E 2 WATT无线电力传输架构。E 2 WATT通常是基于 GaN 的解决方案,结合了电源和无线充电器,并围绕获得的感应技术构建。该方法将转换阶段的数量减少到两个(见图 2),它基于提供零电压开关 (ZVS)、零电流开关 (ZCS) 无线电力传输的专有拓扑。

图 2:E 2 WATT 提供简化的端到端转换。

在初级(发射器)中,ZVS-ZCS 拓扑实现了在任何负载条件下都可以忽略不计的开关功率损耗,这是可能的,因为没有使用谐振操作。这提供了非常平坦的效率曲线(图 3),并允许在较低温度下运行——在 30 W 设计中温度多可降低 30°C。

图 3:ZVS-ZCS 方法在整个负载范围内提供出色的效率。

E 2 WATT 接收器在 ZVS 下运行,并采用了控制传输到负载的有功功率与反射到初级的无功功率之间比率的技术。此外,快速控制回路可实现精细的输出调节,无需通过降压转换器或 LDO 进行额外的转换/调节。第二个控制回路进一步化总无功功率,从而进一步提高效率。

与传统技术相比,E 2 WATT的另一个好处是增加了 z 轴充电:早期测试表明这一重要参数增加了八倍,极大地方便了用户。

独特的是,E 2 WATT 还提供低延迟数据传输,这为增值功能以及快速无线充电的基本功能开辟了许多机会。

E 2 WATT 向后兼容 Qi 等传统技术,为用户提供便利和低功率充电的迁移路径。今天,高达 300 W 的无线充电器已经建立在 E 2瓦特的基础上,但该技术可以提供 10 kW 的功率。这一点,以及与有线充电相媲美的效率水平,为未来开辟了广泛的可能性和新的应用。

应用和功率水平

需要充电的设备并不新鲜;许多已经存在多年。然而,现有无线充电的局限性(主要是材料成本高和热/效率问题)阻碍了广泛采用,因此目前,这些应用继续依赖有线充电。

随着其他技术领域的进步产生了全新类别的设备(通常在机器人领域),E 2 瓦特带来的无线充电进步可能意味着这些新设备永远不会通过电线充电。

1 瓦至 30 瓦

在功率级别,大多数应用都是使用 Qi 等无线充电标准的设备。这包括可穿戴设备(健身监视器、智能眼镜)和所谓的“可听设备”——复杂的助听器和基于蓝牙的音频设备。智能手机和平板电脑等大量移动/便携式设备也属于这一类。

在工业领域,部署了数十亿的物联网设备由于其功耗非常低,可以从无线充电中受益。

在此功率水平下,E 2 WATT的更高效率减少了充电器中的热量产生,从而实现了更大的小型化,因为不需要散热器等热管理设备。这反过来又促进了完全密封的设计,可用于可能存在液体的地方——厨房、杂物间、户外区域和工业设施。

并且可靠性得到增强,因为不需要电线/插头进行充电,因此没有触点磨损。

30 瓦至 500 瓦

随着功率水平的提高,应用发生变化,在这个水平上,基于 Qi 的解决方案不再能够充电。许多类型的家用电器以及电动交通应用都属于这一类,包括电动自行车、踏板车和电动轻便摩托车。机器人在家庭环境中的使用越来越普遍,因此清洁机器人、游泳池机器人和其他服务机器人也出现在这个功率级别,而增长快的应用之一是无人机等无人驾驶飞行器。

同样,由于不再需要插头,许多这些应用程序都受益于增加的便利性和可靠性。由于现在可以以与有线充电相似的效率水平进行无线充电,因此无线选项没有任何缺点,并且低功耗/空载操作得到增强。更重要的是,这些应用程序中的许多应用程序至少部分地在室外或在它们将暴露于液体的环境中使用。这意味着任何用于有线充电的裸露触点都可能会迅速退化——尤其是在高湿度、含盐或腐蚀性环境中——并阻碍充电。同样,无线解决方案消除了这些问题,而移除充电线是一项重要的安全功能,尤其是对于电器而言,因为它不会被切断或绊倒。

E 2 WATT 再次允许紧凑型解决方案,因为直接交流输入消除了外部 PSU,并且电源管理已经集成。

500 瓦至 1 千瓦

这个更高功率的领域与 30-W 至 500-W 领域有类似的应用——主要是机器人和家用电器——但现在包括更高功率的家用电器和更高功率的机器人,如割草机和用于小包裹的物流/送货机器人城市环境。

因此,20-W 至 300-W 领域的优势也适用于此,尤其是与安全和户外使用相关的优势。

1千瓦及以上

在功率的领域,应用主要集中在车辆周围。这包括用于仓储/工厂的自动导引车 (AGV),以及遥控车和轨道导引车。这里还包括乘用电动车。考虑到高功率水平,效率对于热管理和延长充电时间仍然很重要,但现在,E 2 WATT 可以提供的更高效率也对运营费用产生了积极影响。

延长充电距离也是一个显着的好处,因为将 EV 停在充电板上并不方便,其精度与智能手机放在充电板上的精度相同。

虽然将电动汽车从空充电到充满总是需要时间,但无线充电对于遵循规定路线并经常停车的车辆(例如城市公交车)具有显着优势。在这里,可以在沿线的公交车站放置一个充电板,以便在预定的停靠站接收快速“充值”充电,从而使公交车可以全天运行,而无需返回车站充电。

概括

无线充电已经到来,但由于传统方法面临的挑战,包括效率低下、架构复杂、体积庞大和 BoM 成本高,它尚未成熟。

无线充电联盟认识到无线充电的潜力超出了 Qi 提供的当前水平,因此正在制定新的标准,例如用于高达 2,200 W 的无绳厨房电器的 Ki、用于轻型电动汽车的 LEV 标准和用于机器人充电的行业标准、AGV等工业自动化机械。

E 2 WATT凭借其专有的磁性和拓扑结构,解决了效率和外形尺寸方面的挑战,使设计人员能够满足现有低功率无线充电应用的需求,并扩展到更高的功率。这种可扩展性可确保在高达 1 kW 及以上的充电设计中实现效率更高、尺寸更小、成本更低和范围更广的优势,其解决方案与传统有线电源转换器一样高效且具有成本效益。

关键词:无线充电

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