无线充电

无线充电产品

无线充电方式与标准

通过无线、无接触式的无线充电(Wireless Power Transfer:也被称为非接触供电、无接触电力传输)为内置于电子设备中的二次电池充电的方式正在迅速普及。
TDK提供有多种多样的无线充电产品,其中不仅包括为智能手机、笔记本电脑等设计的中低输出无线充电产品、为产业设备、EV(电动车)等设计的更大功率的无线充电产品,还可供应为超小型及薄型穿戴式设备/保健设备设计的产品。
无线充电方式多种多样,但当今主流方式是通过磁耦合进行电力传输的电磁感应式与磁共振式(图1)。

图1 无线充电的主要方式图1 无线充电的主要方式

无线充电的主要标准有推进标准化的行业团体WPC(Wireless Power Consortium)的Qi、AirFuel Alliance(2015年,A4WP与PMA合并后成立的行业团体)的AirFuel等。
TDK作为WPC以及AirFuel Alliance的加盟企业,早期便开始了电磁感应式与磁共振式等无线充电所需技术的研发,生产并提供符合各类标准的无线充电线圈等产品。
以下将介绍TDK全新开发的无线充电系统,该系统以电磁感应式无线充电原理、关键技术以及电磁感应式为基础,无需准确定位(免定位),且可同时对多个小型电子设备进行充电。

电磁感应式与磁共振式的优缺点

电磁感应式与磁共振式无线充电通过接收及发射线圈产生的磁场,以非接触方式进行电力传输。如今市场上销售有众多只需放上便可通过无接触方式对智能手机进行充电的充电盘,而这些产品便是利用了电磁感应式(针对低电力的Qi标准等)的无线充电方式。电磁感应式无线充电技术一直以来便广泛用于电动剃须刀、移动式电话等产品中。其优点在于原理及结构简单,且成本较低。然而,当发射线圈与接收线圈的对置距离变大时,电力传输效率便会发生急速下降,因此线圈之间必须保持较近的距离,这是该技术的缺点所在。
而磁共振式无线充电则是在发射侧与接收侧插入电容器,形成LC谐振电路,使其发射侧与接收侧的谐振频率一致后进行电力输送的方式。这种方式的优点在于,可拉大线圈的对置距离,同时,即使线圈之间中心稍稍发生偏移的情况下也可进行电力传输。因此也可作为同时为多台移动设备进行充电的充电垫体使用。
图2所示为电磁感应式与磁共振式的基本电路以及双方的特点。

  电磁感应式 磁共振式
  电磁感应式 磁共振式
可供电距离 10mm以下(*) 50mm以下(*)
系统结构难易度 相対容易 相対困难
系统成本 相対便宜 昂贵(估计)
产品尺寸 可小型化 难以小型化
同时充电台数 1对1 可多台充电
(*)取决于线圈尺寸及功率
图2 电磁感应式与磁共振式无线充电的基本原理以及特点的比较

磁共振式不仅可拉大可供电距离,同时还可在行驶过程中为EV蓄电池进行充电,因此在近年一举成为了备受瞩目的无线充电技术。然而,由于磁共振式的系统较为复杂,难以进行小型化,因此在穿戴式设备及助听器等小型电子设备的无线充电方面,电磁感应式仍具备较大优势。为此,这里将就电磁感应式无线充电原理及技术进行更深入的说明。

决定电磁感应式无线供电传输效率的因素

在电磁感应式无线充电中,线圈之间需保持较近距离,这是因为线圈之间距离越大,部分磁通将会变为漏磁通(leakage flux)而无法进行传输,从而导致两个线圈的磁耦合减弱(图3)。
将发射线圈以及接收线圈的电感分别设为L1、L2,两个线圈间的互感设为M,磁耦合程度以耦合系数k表示,则可成立以下公式。

k=M/√L1・L2

图3 漏磁通与两个线圈间的耦合系数图3 漏磁通与两个线圈间的耦合系数

两个线圈的电感与互感存在L1・L2≧M的关系,为此耦合系数的数值在0≦k≦1的范围中。在没有漏磁通的理想情况下,耦合系数为1,但实际情况中数值在1以下,且线圈间的距离越大,漏磁通会越多,从而导致耦合系数下降,最终将会变为0。
为此,现在的主要着眼点在于,在耦合系数不到1的状态下,尽可能减少损耗,从而提高电磁感应式无线充电的电力传输效率。
在发射、接收线圈部内,导致电力传输效率降低的主要原因有铜损与铁损。

铜损 因流过线圈导线的电流而产生的损耗。导线的直流电阻越小损耗越少。但在电磁感应式无线充电系统中会使用高频交流电流。随着频率增大,交流电流将会在表面(趋肤效应),而非在导线内部流动,由此,有效截面积将会变小,从而使电阻增大。将多根拥有绝缘包层的細线拧成一股绞合线,并将其用于发射及接收线圈中,就是为了降低表面电阻所造成的损耗。
铁损 原本是指用于聚焦线圈所产生磁力线的变压器磁芯中所产生的损耗,包括涡流损耗、磁滞损耗等在无线充电中,发射及接收线圈内也会使用相当于变压器磁芯的磁性片材。如后所述,其特性与电力传输效率存在紧密联系。

采用了先进磁性技术的TDK无线供电用线圈

在用于为智能手机等进行充电的电磁感应式无线充电系统中,之所以主要在高频(大致为100~200kHz)中使用,是因为在该频带中能够获得较高的电力传输效率。然而,除了线圈间隔之外,即使是线圈中心少许的位置偏移也会导致电力传输效率下降。因此,对发射线圈与接收线圈进行准确定位变得尤为重要。
为了实现准确的定位,例如在WPC针对低电力(最大5W)的Qi标准(Volume Ⅰ Low Power)中,规定有如下三种方法的相关规格。

①磁铁定位方式 使用磁铁引力进行定位的方式。
②移动式线圈方式 检测到充电对象设备后,通过某一驱动装置将发射线圈移动至该位置的方式。
③线圈阵列方式 事先排列多个发射线圈,并使位于所放置设备正下方的发射线圈进行工作的方式。
《针对低电力Qi标准的线圈定位方式》

在这3种方式中最为简单的一种是①的磁铁定位方式。然而,这种方式是通过安装于发射线圈中心位置的磁铁磁力,吸引安装于接收线圈中央的磁性体进行定位,因此正如后文所述,在磁路设计中存在必须考虑的问题。
同时,若通过上述3种方式均无法正常工作时,接收线圈将无法通过Qi标准的认定。为此,TDK首先设计生产了适用于磁铁定位方式的Tx(发射)线圈单元以及Rx(接收)线圈单元,进而根据该设计开发了适用于移动式线圈方式以及线圈阵列方式的产品。图4所示为TDK符合WPC的Tx线圈单元(例)。

图4 符合WPC的TDK无线充电用Tx线圈单元(例) 尺寸及WPC规格:Φ50mm(A10)
尺寸及WPC规格:Φ50mm(A10)
图4 符合WPC的TDK无线充电用Tx线圈单元(例) 尺寸及WPC规格:52×52mm(A1、A9)
尺寸及WPC规格:52×52mm(A1、A9)
图4 符合WPC的TDK无线充电用Tx线圈单元(例) 尺寸及WPC规格:100×56mm(A6)
尺寸及WPC规格:100×56mm(A6)
图4 符合WPC的TDK无线充电用Tx线圈单元(例)

需要进行慎重设计的磁性片材材质与厚度

在适用无线充电的智能手机等移动设备中,所搭载的接收线圈与磁性片材要求尽可能地薄。然而,磁性材料的特性与厚度需要进行慎重的设计。这是因为,若磁性片材过薄会引起磁饱和问题。若发生磁饱和,则线圈的电感将会突然降低,从而可能对无线充电过程造成障碍。
同时,根据接收线圈搭载部位不同,也有可能引起异常发热。例如,若接收线圈搭载位置接近电池,则磁性片材将无法充分发挥磁屏蔽特性,从而使高频磁通贯穿磁性片材,直至电池盒中。一般情况下,电池盒的材质为铝,高频磁通会导致盒子表面产生涡流,而由此引起的铁损不仅会使电力传输效率降低,同时也可能引起异常发热。特别需要确保磁屏蔽万无一失的是磁铁定位方式的接收线圈侧。这是因为在该方式中,除了从发射线圈输出的高频磁通之外,还需要吸收、屏蔽来自磁铁的磁通。
与磁屏蔽特性紧密相关的是用于磁性片材的软磁性材料。在TDK无线充电用发射线圈单元及接收线圈单元的磁性片材中,使用有用于变压器或扼流圈磁芯等的高频用高特性铁氧体或软磁性金属材料。由此不仅能够高效聚焦磁力线,提高电力传输效率,同时也可抑制噪音的产生(图5)。

图5 无线充电线圈中磁性片材的作用图5 无线充电线圈中磁性片材的作用

根据输出的大小,针对无线充电系统制定有诸多标准。
WPC在继2010年制定针对低电力(最大5W)的Qi标准(Volume Ⅰ Low Power)之后,还于2015年制定了针对中电力(5~15W)的Qi标准(Volume II Medium Power)。
TDK开发了各类定制标准产品,不仅能够运用于智能手机、笔记本电脑的中低输出型以及15W以上的高输出型,同时还可用作面向超小型及薄型穿戴式设备或保健设备的无线充电,拥有不到2W的超低输出小型线圈。
图6所示为TDK无线充电相关产品的输出型与其主要用途。

图6 TDK无线充电相关产品的输出型与主要用途图6 TDK无线充电相关产品的输出型与主要用途

在超小型、薄型穿戴式设备以及保健设备的无线充电方式中,前文所述的电磁感应式因其原理及结构均十分简单,因此具有较大优势。然而,以往的电磁感应式存在只能分别对每一台进行充电的缺点。为此,TDK以电磁感应式为基础,全新开发了小型低输出无线充电系统,很好地克服了其缺点。

穿戴式设备、助听器等无线供电所要求的技术

市场中,穿戴式设备拥有手表型、腕带型、装饰型等各种类型,然而在这类小型电子设备中,由于搭载的电池小于移动设备,因此需要进行频繁充电。同时,连接器插入式以及接点式等充电方式会因端子破损或腐蚀导致充电不良等问题发生。
电磁感应式无线充电的优点在于能够解决这类问题,并方便地应对小型化。然而,在以往的电磁感应式中存在发射线圈与接收线圈的位置精度要求严格,难以同时进行多台充电等问题(图7)。

图7 以往用于穿戴式设备的充电系统的问题与课题图7 以往用于穿戴式设备的充电系统的问题与课题

为解决这些问题,TDK全新开发了小型低输出无线充电系统。
这是一种划时代的系统,它是在电磁感应式无线充电技术的基础上,在改善供电时的定位性这一电磁感应式弱点的同时,使其能够同时对多个产品进行充电。
图8所示为MEDTEC 2016中作为参考展示的小型低输出无线充电系统的试制产品示例。只需在壶型发射单元中放入接收单元便可开始自动充电,而无需进行定位(免定位)。同时,由于可以多个产品同时充电,因此不仅是小型穿戴式设备,使用小型纽扣电池的助听器等也可无需进行繁琐的电池更换作业,十分便利。此外,由于其完全防水,因此可方便进行清洗及灭菌。

TDK小型低输出无线供电系统解决方案
  • 解决充电繁琐问题
    (只需放入便开始充电,免定位)
  • 可多台同时充电
  • 超小型无线供电系统,不影响产品尺寸
  • 无需连接器,可实现完全防水
  • 通过提供输电及接收系统可实现最佳充电环境
只需放入便开始充电,免定位

图8 TDK全新开发的小型低输出无线充电系统(试制示例)

近年来还渐渐被运用到配备指纹认证功能及屏幕功能的高性能IC卡(称为智能卡或屏幕卡等)中。由于耗电量巨大,因此此类高性能IC卡需要频繁对内置的二次电池进行充电。图9所示为可最多同时对10张高性能IC卡进行充电的TDK无线充电系统试制示例。与分别对每张进行充电的系统相比,可大幅节约时间。

同时对多张高性能IC卡进行充电的无线充电系统(试制示例)
最多可同时对10张高性能IC卡(智能卡、屏幕卡等)进行无线充电。

图9 同时对多张高性能IC卡进行充电的无线充电系统(试制示例)

TDK小型低输出无线供电系统的特点

在专用于穿戴式设备、保健设备及助听器等小型电子设备的电磁感应式无线充电系统中要求使用磁性材料技术、磁路设计技术、高频技术、模拟技术等各类技术。TDK的优势在于,拥有包括以铁氧体为原点的材料技术在内,长年积累而来的综合核心技术。TDK可根据客户需求提供小型低输出无线充电系统中所必须的小型线圈(输电线圈、接收线圈)、与控制电路一体化的线圈模块等优化的高效系统。

《TDK小型低输出无线充电系统的特点》

  • 超小型线圈技术:开发并提供适用于设备形状的超小型输电及接收线圈。
  • 开发定制输电及接收系统:可提供实现最大效率的系统。
  • 高特性柔性磁性片材:可从TDK丰富的磁性材料中选择最佳材料。
  • 应对定制输出:可应对各类输出设计。