低功率激光在手機(jī)無線充電上的應(yīng)用

方思遠(yuǎn)， 方 東

（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 安徽 淮南 232000）

0 引言

在現(xiàn)代社會中， 移動設(shè)備在人們的生活里發(fā)揮著越來越重要的作用。其中，設(shè)備的供電一直是科學(xué)研究的重要方向之一。傳統(tǒng)的供電方式，供能穩(wěn)定，但缺少靈活性。無線能量傳輸（WPT） 是一種“非接觸式”能量傳輸方式[1]，通過發(fā)射器將電能轉(zhuǎn)換為其它形式的中繼能量（如電磁場能、激光、微波及機(jī)械波等），隔空傳輸一段距離后，再通過接收器將中繼能量轉(zhuǎn)換為電能，實現(xiàn)無線電能傳輸?shù)膫鬏敺绞絒2]。

目前幾種主流無線充電的方案有電磁感應(yīng)式、 無線電波式等[3-5]。 電磁感應(yīng)式無線充電是商業(yè)應(yīng)用中最成功的方案， 其利用兩個耦合諧振器， 在諧振器之間傳遞電能。 該方法優(yōu)點是安全可靠，但也使充電范圍被限制在幾十厘米內(nèi)，無法解決充電靈活性的問題。 無線電波式可以在一定距離上傳輸電能， 且在范圍內(nèi)的設(shè)備都能接收到能量。 但該方法的能量傳遞是“廣撒網(wǎng)”，而不是集中傳輸?shù)教囟ǖ脑O(shè)備，導(dǎo)致單個設(shè)備接收到的能量很小，其效率甚至小于1%；該方法還會對其它信號傳輸造成影響，比如WiFi，蜂窩網(wǎng)絡(luò)等。 因此該方法在無線充電上也不夠?qū)嵱谩?/p>

本文提出的激光無線能量傳輸是近十幾年來發(fā)展起來的一項新技術(shù)。 激光具有單色性好、方向性強(qiáng)、能量集中[6]，相干性好等其它光源沒有的特性。 因為這些特點，本文設(shè)想將激光遠(yuǎn)距離投射到配備有光電轉(zhuǎn)換器件的移動設(shè)備上，使其實現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的能量傳輸。 利用激光進(jìn)行能量傳輸時，其設(shè)備體積較小，工作穩(wěn)定，且不會對移動設(shè)備的使用產(chǎn)生干擾。 該方案不僅能運用于遠(yuǎn)距離手機(jī)充電，還可以用于無人機(jī)[7-8]，微型衛(wèi)星[9-10]，機(jī)器人等更多需要遠(yuǎn)距離無線充電的領(lǐng)域，應(yīng)用前景十分廣闊。

1 激光無線充電系統(tǒng)

1.1 激光無線充電模型

激光無線充電系統(tǒng)主要包括電光轉(zhuǎn)換裝置、 激光發(fā)射器、光電轉(zhuǎn)換裝置、接口裝置和移動設(shè)備自身等。 主要流程是：首先通過電光轉(zhuǎn)換裝置將電能轉(zhuǎn)換為激光，激光發(fā)射器發(fā)射光能，再通過光纖準(zhǔn)直器發(fā)射；光電轉(zhuǎn)換裝置（光伏電池）接收到激光后將激光重新變?yōu)殡娔?，最后通過能量管理模塊傳遞給設(shè)備本身[11]。 為了盡量提高能量利用效率， 我們需要選用具有較高電光轉(zhuǎn)化效率的低功率激光器。 同樣，接收端也需要效率高的光伏電池。 由于激光單色性好、能量集中、相干性好的特點，需要使用對單頻激光吸收效果好的光伏材料[12]。 不同波長和強(qiáng)度的激光擁有不同轉(zhuǎn)化率， 且不同材料也會導(dǎo)致轉(zhuǎn)化效率改變[13]，本文選用單晶硅電池[14]，其效率最高能達(dá)到27.7%，這種材料正符合該設(shè)計的需求。通過這些器件的組合，本文將整個激光無線充電系統(tǒng)拆分成兩部分： 發(fā)射裝置和接收裝置，見圖1。

圖1 發(fā)射裝置和接收裝置

1.2 激光無線充電設(shè)計原理

激光無線充電系統(tǒng)大體包括： 發(fā)射模塊、 能量傳輸控制模塊、聚焦模塊、激光接收模塊、 接收控制模塊、能量管理模塊、負(fù)載等部分。 其中，激光發(fā)射模塊為低功率激光器，受能量傳輸控制模塊的控制，將電能轉(zhuǎn)化為激光能進(jìn)行發(fā)射； 當(dāng)激光通過空氣介質(zhì)后到達(dá)接收模塊，由光電轉(zhuǎn)換器將光能轉(zhuǎn)化為電能；再通過能量管理模塊進(jìn)行整流、穩(wěn)壓、濾波、存儲，同時為手機(jī)供電。最終實現(xiàn)激光能量的遠(yuǎn)距離傳輸[15-16]。 激光無線充電原理圖見圖2。

圖2 激光無線充電原理圖

1.3 激光無線充電系統(tǒng)效率

通過大量理論研究，激光無線能量傳輸系統(tǒng)效率的模型已較為成熟[17]。 本文將整個系統(tǒng)的能量傳輸效率拆分成不同環(huán)節(jié)， 各環(huán)節(jié)的效率主要有： 電光轉(zhuǎn)化效率， 激光發(fā)射效率， 激光在傳輸中的損耗， 能量接收效率和光電轉(zhuǎn)化效率[2]。激光無線充電系統(tǒng)效率分解為圖3 所示。

圖3 激光無線充電系統(tǒng)效率

2 激光無線充電系統(tǒng)整體設(shè)計

為了更好地設(shè)計整體系統(tǒng)，本文把系統(tǒng)分為兩部分：發(fā)射裝置和接收裝置。發(fā)射裝置主要包含低功率激光器、光敏二極管、轉(zhuǎn)軸、紅外光源幾個裝置；接收裝置主要包括光伏電池、反光鏡、能量管理模塊等裝置。 下文將分別進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 發(fā)射裝置設(shè)計

本設(shè)計中，激光發(fā)射裝置采用低功率激光器。為了獲得5W 的輸出功率， 本文需要選擇一種輸出功率在30W以上的激光器。 由上文中的單晶硅電池轉(zhuǎn)化效率最高達(dá)到27.7%[2]，本文假設(shè)激光的光電轉(zhuǎn)化效率為25%。 因此在考慮各種能量損耗、亮度衰減情況下，選用30W 激光器時能獲得5W 的能量。為了不造成光污染以及視覺疲勞，本文采用976nm 的激光， 該激光波長已經(jīng)超過人類視覺范圍，且能應(yīng)用于光伏電池。為了能改變激光的發(fā)射方向，選擇光纖來傳輸光能， 并在光纖一頭加裝光纖準(zhǔn)直器用于聚焦光束。 光纖準(zhǔn)直器見圖4。

圖4 光纖準(zhǔn)直器

發(fā)射裝置安裝于懸掛在天花板上的轉(zhuǎn)軸上，以便于調(diào)整發(fā)射方向。 為了發(fā)射裝置能自動調(diào)節(jié)方向，對產(chǎn)生位置變化的接收裝置持續(xù)供能， 并同時兼具保護(hù)使用者的目的， 我們在低功率激光器周圍添加一組4 個紅外光源和大量光敏二極管，與激光接收裝置形成反饋。在發(fā)射裝置沒有尋找到接收目標(biāo)時， 發(fā)射裝置僅開啟外圍的4 個紅外光源，通過轉(zhuǎn)軸自動調(diào)整方向，對整個房間進(jìn)行掃描。當(dāng)紅外光源照射到接收裝置的反光鏡時 （反光鏡在接收裝置設(shè)計中介紹），即找到目標(biāo)時，反光鏡會產(chǎn)生反射光。反射光返回發(fā)射裝置， 光敏二極管收到信號后開啟低功率激光器開始充電。 當(dāng)使用者不小心遮擋在了激光器前時，為了節(jié)省電能，同時保護(hù)使用者不被灼傷，光敏二極管會在停止接收到紅外光反射時斷開低功率激光器的電源。由以上設(shè)計，發(fā)射裝置可以在安全的情況下對手機(jī)持續(xù)提供能量。 發(fā)射裝置示意圖見圖5。

圖5 發(fā)射裝置圖

2.2 接收裝置設(shè)計

接收裝置主要包括光伏電池、反光鏡、能量管理模塊等裝置。 通過一組光伏電池接收激光，光電轉(zhuǎn)換器將電能輸入能量管理模塊，能量管理模塊提供5V 輸出，通過USB 為智能手機(jī)充電。 接收裝置還要有一系列的反光鏡，作為對發(fā)射裝置的反饋裝置。

（1）光伏電池，首先需要轉(zhuǎn)化效率較高，且該電池能夠承受一定的能量密度。 我們選用最高轉(zhuǎn)化效率達(dá)到27.7%的單晶硅電池[14]，該光伏電池在30W 的激光照射下，理論能產(chǎn)生5W 以上的輸出功率， 通過能量管理模塊進(jìn)行整流、穩(wěn)壓、濾波、存儲后給手機(jī)供電。

（2）反光鏡作為發(fā)射裝置的反饋系統(tǒng)，能反射回低功率激光器周圍的紅外光。為了達(dá)到精準(zhǔn)反射的目的，反光鏡必須要能向原方向反射回光線， 并且盡量減小光線散射和損耗。為此本文提出一種三面體反光鏡，它的功能是將射向它的任何方向的光線按照原方向返回。 反光鏡結(jié)構(gòu)圖即光路圖見圖6。

圖6 反光鏡結(jié)構(gòu)

通過將大量迷你的三面體反光鏡安裝在接收裝置的光伏電池的邊緣， 其能通過反射發(fā)射裝置周圍的紅外光線來控制低功率激光器的工作狀態(tài)， 幫助發(fā)射裝置尋找目標(biāo)，并且避免了安全問題。 接收裝置結(jié)構(gòu)如圖7。

圖7 接收裝置

2.3 整體裝置結(jié)構(gòu)

在發(fā)射裝置和接收裝置都設(shè)計完成后， 這兩部分構(gòu)成了激光無線充電裝置。 發(fā)射裝置安裝在天花板上，接收裝置則可以放在桌面上。 開始充電時，紅外光源首先打開，通過轉(zhuǎn)軸不斷調(diào)整方向。 當(dāng)兩裝置對齊時，紅外光照射到接收裝置的反光鏡，光敏二極管收到反射光，低功率激光器啟動，通過光纖準(zhǔn)直器向接收裝置發(fā)射激光。 接收裝置收到光能后，通過光伏電池將激光轉(zhuǎn)化為電能，再通過能量管理模塊將電流整流、濾波后輸送給手機(jī)，完成手機(jī)的遠(yuǎn)程無線充電。 整體設(shè)計結(jié)構(gòu)見圖8。

圖8 整體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)論

通過低功率激光器供能，紅外光源與反光鏡組合精確控制轉(zhuǎn)軸方向，光纖準(zhǔn)直器投射光能到接收器，再通過光伏電池將光能轉(zhuǎn)回電能，由能量管理模塊整流、濾波后供電，本文成功實現(xiàn)了手機(jī)遠(yuǎn)程無線充電。 該方法不僅安全可靠，而且解決了無線充電的靈活性問題，能夠大大改善無線充電的體驗。 相信隨著未來移動設(shè)備進(jìn)一步豐富，激光驅(qū)動無人機(jī)技術(shù)[19]、航天器無線能量傳輸[20]、探測機(jī)器人等技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，利用激光遠(yuǎn)程無線充電一定能應(yīng)用在手機(jī)充電以外的更多領(lǐng)域，為改善人類生活做出貢獻(xiàn)。