ワイヤレス充電は、バッテリー駆動の電子機器を、ワイヤーやケーブルを使用して電源に直接つなぐことなく再充電するプロセスです。このプロセスにより、ユーザーは電源コンセントに接続しなくても、外出先で電話を自由に充電できます。つまり、ワイヤレス充電対応のスマートフォンやその他のデバイスは、たとえばコーヒーテーブルに置くだけで充電できます。また、電気自動車などのより複雑なマシンは、ガレージに駐車するか、ワイヤレス充電対応の道路で充電できます。コードベースの充電に関連するすべての安全性の問題を排除し、ユーザーに新しい種類の自由への扉を開きます。
ワイヤレス充電は、 ニコラテスラ が送電をワイヤレスで行うのに役立つはずの テスラコイルを 開発した1800年代後半にさかのぼります。実験は当時の目的を達成できませんでしたが、この分野への関心が高まり、より多くの人々が取り組み始めました。アイデア。2006年、MITは、大量のエネルギーを伝送するための共振結合の使用のテストを開始しました。これにより、今日存在する優れたワイヤレス充電技術のいくつかへの道が開かれました。この実験をチェックして、電力をワイヤレスで送信するミニテスラコイルを作成できます。
ワイヤレス電力伝送のしくみ
ワイヤレス充電は、電磁誘導の原理に基づいているため、誘導充電と呼ばれることもあります。ワイヤレス通信システムと同様に、ワイヤレス充電はワイヤレスエネルギー送信機と受信機の動作によって実現されます。通常、充電ステーションと呼ばれるワイヤレス充電送信機は、電源コンセントに接続され、コンセントを介して供給されるエネルギーを、常に充電対象のデバイスに接続され、ワイヤレス充電ステーションのすぐ近くに配置される受信機に送信します。
以下は、ワイヤレス充電システムのコンポーネントと充電プロセスを説明するためのブロック図です。
前述のように、ワイヤレス充電は、電力変圧器、発電機、モーターで使用される磁気誘導の原理を利用して、コイルに電流を流すと、そのコイルの周囲に磁場が変化し、別の結合コイルに電流が誘導されます。これは、電気的に絶縁されているように見えても、変圧器の1次コイルと2次コイルの間で電気エネルギーが伝達される背後にある原理です。ワイヤレス充電では、システムを構成する各コンポーネント（送信機と受信機）にコイルがあります。送信機のコイルは一次コイルに例えることができ、受信機のコイルは電力変圧器の二次コイルに例えることができます。充電ステーションがAC電源に接続されている場合、供給された電力は、整流器システムによってDCに整流され、その後、スイッチングシステムが引き継ぎます。スイッチングの理由は、レシーバーコイルに電荷を誘導するために必要な変化する磁束を生成できるようにするためです。
受信コイルは、入力電力を収集して受信回路に渡し、受信回路は入力電力をDCに変換し、受信した電力を適用してバッテリーを充電します。
上で確立したように、電力伝達は、送信機コイルに交番磁界を確立することによって生成された磁束が受信機コイルで電流に変換されるときに発生します。生成される電流の量は、送信機によって生成される磁束の量と、受信機のコイルが捕捉できた磁束の量によって異なります。受信機が捕捉する磁束の量は、送信機コイルに対する受信機コイルのサイズ、距離、および位置によって決定される「結合係数」に依存します。これは、結合係数が高いほど、エネルギー伝達が高くなることを意味します。結合係数が高くなる可能性を高めるために、特定のワイヤレス充電ステーションは、下の画像に示すように、複数の送信機コイルで設計されています。
ワイヤレス充電規格
ワイヤレス充電規格は、ワイヤレスデバイスの設計と開発を管理する一連のルールを指します。現在、ワイヤレス充電に関する2つの異なる業界標準が、さまざまな機関によって推進されています。
1.Rezence標準
2.QI標準
Rezenceの標準は、共振誘導に基づいて充電するように充電の両方の送信機と受信機コイルが共振しているときに発生します。この規格を使用すると、デバイスは充電のために送信機と受信機の間の距離を大きくすることができます。この規格は、Alliance for Wireless Power（A4WP）によって推進されています。
QI標準一方がコイル間とに対して密結合を用いた無線エネルギー伝達を達成 Rezenceの より多くの電力が、この設定を使用して送達されると考えられているような標準的な、送信及び受信コイルは、常にわずかに異なる周波数で動作するように設計されています。QI標準は、Apple Inc、Qualcomm、HTCなどのメンバーを含むワイヤレスパワーコンソーシアムによって推進されています。
EMI、効率、および2つの標準間の調整の自由度の間のトレードオフを考慮することにより、アプリケーションに最適なワイヤレス標準を選択できます。それにもかかわらず、特定のワイヤレス充電ステーションは両方の規格をサポートするように設計されており、これらはデバイス間の高い相互運用性を提供します。
シンプルなワイヤレス充電器セットのデザイン
ワイヤレス充電システムを構築する前に、次のことを考慮する必要があります。
1.標準：デバイスにワイヤレス充電機能を装備する場合、最初に行うことは、デバイスとその使用例に適合するワイヤレス電力標準を選択することです。特定の充電システムは、複数の基準に基づいています。
2.コイルの選択：次は、ユースケースに合わせて適切なコイルタイプとコイル形状を選択することです。ベンダーはこれらのコイルを標準ゲージで提供しているため、適切なものの選択は、使用するワイヤレス充電トランスミッタICのデータシートの推奨に基づいて行う必要があります。
3.エンクロージャー：ワイヤレスシステムを設計する場合、送信機と受信機の間でより高い結合係数を実現するために、デバイスのエンクロージャーが金属ではなく、比較的平坦な表面であることが重要です。金属は、伝達されるエネルギーが受信機に到達するのを効果的に防ぎます。プラスチック製の筐体は、超薄型になるように設計する必要があります。
送信機の設計
ワイヤレス充電システムは、前述のように送信機と受信機の両方で構成されています。以下は、送信機の設計を示す回路図です。
送信機を構成する3つの主要なコンポーネントがあります。電源、送信コイルとスイッチング回路。電源は通常、整流されたACからのDCです。整流後、スイッチング回路を使用して、変化する磁場の生成に使用される交流信号を生成し、送信機コイルを介して送信機から受信機への電流伝達を誘導します。
受信機の設計
受信機の設計は、アクションが逆の順序で行われることを除いて、送信機の設計と似ています。受信機は、受信コイル、共振ネットワーク、整流器、および整流回路の出力を使用して接続されたバッテリーを充電する充電器ICで構成されています。受信回路の例は、機能部分が強調表示された状態で下の画像に示されています。この例は、LTC4120充電ICに基づいています。
アプリケーション
ワイヤレス充電は現在、次のような多くのアプリケーションで使用されています。
- スマートフォンとウェアラブル
- ノートブックとタブレット
- 電動工具や掃除機などのサービスロボット
- マルチコプターと電気玩具
- 医療機器
- 車内充電
デバイスを接続する必要がない、プラグの互換性の問題がないなど、ワイヤレス充電を使用する必要があるという空想的な理由に加えて、ワイヤレス充電は、主電源に直接接続することに関連する危険からの安全性を提供します。さらに、掘削や採掘などの過酷な環境でも信頼性が高く、外出先でのシームレスな充電が可能です。最後に、ワイヤレス充電は、ワイヤーによって引き起こされるもつれやその他の混乱を排除します。ワイヤレス充電の顔をいくつかの新しいアプリケーションでかじっただけです。将来を念頭に置いて行われるすべての製品設計では、ワイヤレス充電を組み込むことを検討する必要があります。これは、近い将来、バッテリー駆動デバイスを充電する方法の1つです。