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新技術將無線充電提升到新水準

作者 : Igor Spinella

Eggtronic的技術解決了傳統無線充電中出現的效率挑戰。

傳統的無線充電技術，包括基於Qi標準的技術，實際上只適用於智慧型手機、穿戴裝置、醫療植入物和物聯網產品等小型設備，因為它們的效率較低並且只能在較低功率水準下運行。它們的低效率意味著它們在碳排放方面對環境不友好，而且它們產生的熱量會減慢充電速度，因此必須進行散熱。

目前，由於需要非常精確地定位被充電設備以確保有效耦合，因此大多數無線充電體積龐大、價格昂貴且不是特別方便。Qi設計也相對複雜(影響效率的一個重要因素)，整個轉換過程需要五個階段，如圖1所示。同樣值得注意的是，當未滿載運行時，效率會迅速下降。

圖1：傳統無線充電需要多級轉換，影響效率。

下一代無線充電

為了解決傳統方法的局限性，Eggtronic開發了E²WATT無線電力傳輸架構。E²WATT通常是一種氮化鎵(GaN)的解決方案，結合了電源和無線充電器，並圍繞著一種獲得專利的感應技術構建。該方法將轉換階段的數量減少到兩個(見圖2)，它基於一種提供零電壓開關(ZVS)、零電流開關(ZCS)的無線電力傳輸的專有拓撲。

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圖2：E²WATT提供簡化的端到端轉換。

在初級(發射器)中，ZVS-ZCS拓撲實現了在任何負載條件下都可以忽略不計的開關功率損耗，這是因為沒有使用諧振操作。這提供了非常平坦的效率曲線(圖3)，並允許在較低溫度下運行，在30W的設計中溫度最多可降低30°C。

圖3：ZVS-ZCS方法在整個負載範圍內提供出色的效率。

E²WATT接收器在ZVS下運行，並採用了控制傳輸到負載的有功功率與反射到初級的無功功率之間比例的技術。此外，快速控制回路可實現精細的輸出調節，無需通過降壓轉換器或LDO進行額外的轉換/調節。第二個控制回路進一步最小化整體無功功率，從而進一步提高效率。

與傳統技術相比，E²WATT的另一個好處是增加了z軸充電：早期測試表明這一重要參數增加了八倍，極大地方便了用戶。

與眾不同的是，E²WATT還提供低延遲資料供電，這為增值功能以及快速無線充電的基本功能開闢了許多機會。

E²WATT向下相容Qi等傳統技術，為用戶提供便利和低功率充電的遷移路徑。今天，高達300W的無線充電器已經建立在E²WATT的基礎上，但該技術可以提供10kW的功率。這一點，加上與有線充電相媲美的效率水準，為未來開闢了廣泛的可能性和新的應用。

應用和功率水準

需要充電的設備並不新鮮；許多已經存在多年。然而，現有無線充電的局限性(主要是材料成本高和熱/效率問題)阻礙了廣泛採用，因此目前，這些應用繼續依賴於有線充電。

隨著其他技術領域的進步，產生了全新類別的設備(通常在機器人領域)，E²WATT帶來的無線充電進步可能意味著這些新設備永遠不會通過電線充電。

1W至30W

在最低的功率水準，大多數應用都是使用Qi等無線充電標準的設備。這包括可穿戴設備(體質監測、智慧眼鏡)和所謂的可聽設備——複雜的助聽器和基於藍牙的音訊設備。智慧手機和平板電腦等大量移動/可擕式設備也屬於這一類。

在工業領域，部署了數十億的物聯網設備由於其功耗非常低，可以從無線充電中受益。

在此功率水準下，E²WATT的更高效率減少了充電器中的熱量產生，從而實現了更加的小型化，因為不需要散熱器等熱管理設備。這反過來促進了全密封設計，可用於可能存在液體的地方——廚房、雜物間、戶外區域和工業設施。

並且可靠性得到了增強，因為不需要電線/插頭進行充電，因此也就沒有觸點磨損。

30W至500W

隨著功率水準的提高，應用會發生變化，在這個水準上，基於Qi的解決方案不再能夠充電。許多類型的家用電器以及電動交通應用都屬於這一類，包括電動自行車、踏板車和電動摩托車。機器人在家庭環境中的使用越來越普遍，因此清潔機器人、游泳池機器人和其他服務機器人也出現在這個功率級別，而增長最快的應用之一是無人機等無人駕駛飛行器。

同樣，由於不再需要插頭，許多這些應用程式都受益于增加的便利性和可靠性。因為現在可以用與有線充電相似的效率水準進行無線充電，因此無線選項沒有任何缺點，並且低功耗/空載工作得到增強。更重要的是，這些應用中的許多至少部分地在室外或在它們將暴露於液體的環境中使用。

這意味著任何暴露的有線充電觸點都可能迅速分解——尤其是在高濕度、含鹽或腐蝕性環境中——並阻礙充電。同樣，無線解決方案消除了這些問題，而移除充電線是一項重要的安全功能，尤其是對於電器而言，因為它不會被切斷或絆倒。

E²WATT再次允許緊湊型解決方案，因為直接交流輸入消除了外部PSU，並且電源管理已經集成。

500W至1kW

這個更高功率的領域與30W至500W領域有類似的應用——主要是機器人和家用電器——但現在包括更高功率的家用電器和更高功率的機器人，如割草機和用於城市環境中小包裹的物流/送貨機器人。

因此，20W至300W領域的優勢也適用於此，尤其是與安全和戶外使用相關的優勢。

1kW及以上

在功率最高的領域，應用主要集中在車輛。這包括用於倉儲/工廠的自動導引車(AGV)，以及遙控車和軌道導引車。這裡還包括乘用電動車(EV)。考慮到高功率水準，效率對於熱管理和延長充電時間仍然很重要，但現在，E²WATT可以提供的更高效率也對運營費用產生了積極影響。

延長充電距離也是一個顯著的好處，因為將EV停在充電板上就像把智慧手機放在充電板上那樣準確，並不方便。

雖然將電動汽車從沒電充到滿總是需要時間，但無線充電對於遵循規定路線並經常停車的車輛(例如城市公車)具有顯著優勢。在這裡，可以在沿線的公車站放置充電板，以便在預定的停靠站接收快速補充充電，從而使公車可以全天運行，而無需返回車站充電。