低功率激光在手机无线充电上的应用

方思远， 方 东

（安徽理工大学 电气与信息工程学院， 安徽 淮南 232000）

0 引言

在现代社会中， 移动设备在人们的生活里发挥着越来越重要的作用。其中，设备的供电一直是科学研究的重要方向之一。传统的供电方式，供能稳定，但缺少灵活性。无线能量传输（WPT） 是一种“非接触式”能量传输方式[1]，通过发射器将电能转换为其它形式的中继能量（如电磁场能、激光、微波及机械波等），隔空传输一段距离后，再通过接收器将中继能量转换为电能，实现无线电能传输的传输方式[2]。

目前几种主流无线充电的方案有电磁感应式、 无线电波式等[3-5]。 电磁感应式无线充电是商业应用中最成功的方案， 其利用两个耦合谐振器， 在谐振器之间传递电能。 该方法优点是安全可靠，但也使充电范围被限制在几十厘米内，无法解决充电灵活性的问题。 无线电波式可以在一定距离上传输电能， 且在范围内的设备都能接收到能量。 但该方法的能量传递是“广撒网”，而不是集中传输到特定的设备，导致单个设备接收到的能量很小，其效率甚至小于1%；该方法还会对其它信号传输造成影响，比如WiFi，蜂窝网络等。 因此该方法在无线充电上也不够实用。

本文提出的激光无线能量传输是近十几年来发展起来的一项新技术。 激光具有单色性好、方向性强、能量集中[6]，相干性好等其它光源没有的特性。 因为这些特点，本文设想将激光远距离投射到配备有光电转换器件的移动设备上，使其实现较远距离的能量传输。 利用激光进行能量传输时，其设备体积较小，工作稳定，且不会对移动设备的使用产生干扰。 该方案不仅能运用于远距离手机充电，还可以用于无人机[7-8]，微型卫星[9-10]，机器人等更多需要远距离无线充电的领域，应用前景十分广阔。

1 激光无线充电系统

1.1 激光无线充电模型

激光无线充电系统主要包括电光转换装置、 激光发射器、光电转换装置、接口装置和移动设备自身等。 主要流程是：首先通过电光转换装置将电能转换为激光，激光发射器发射光能，再通过光纤准直器发射；光电转换装置（光伏电池）接收到激光后将激光重新变为电能，最后通过能量管理模块传递给设备本身[11]。 为了尽量提高能量利用效率， 我们需要选用具有较高电光转化效率的低功率激光器。 同样，接收端也需要效率高的光伏电池。 由于激光单色性好、能量集中、相干性好的特点，需要使用对单频激光吸收效果好的光伏材料[12]。 不同波长和强度的激光拥有不同转化率， 且不同材料也会导致转化效率改变[13]，本文选用单晶硅电池[14]，其效率最高能达到27.7%，这种材料正符合该设计的需求。通过这些器件的组合，本文将整个激光无线充电系统拆分成两部分： 发射装置和接收装置，见图1。

图1 发射装置和接收装置

1.2 激光无线充电设计原理

激光无线充电系统大体包括： 发射模块、 能量传输控制模块、聚焦模块、激光接收模块、 接收控制模块、能量管理模块、负载等部分。 其中，激光发射模块为低功率激光器，受能量传输控制模块的控制，将电能转化为激光能进行发射； 当激光通过空气介质后到达接收模块，由光电转换器将光能转化为电能；再通过能量管理模块进行整流、稳压、滤波、存储，同时为手机供电。最终实现激光能量的远距离传输[15-16]。 激光无线充电原理图见图2。

图2 激光无线充电原理图

1.3 激光无线充电系统效率

通过大量理论研究，激光无线能量传输系统效率的模型已较为成熟[17]。 本文将整个系统的能量传输效率拆分成不同环节， 各环节的效率主要有： 电光转化效率， 激光发射效率， 激光在传输中的损耗， 能量接收效率和光电转化效率[2]。激光无线充电系统效率分解为图3 所示。

图3 激光无线充电系统效率

2 激光无线充电系统整体设计

为了更好地设计整体系统，本文把系统分为两部分：发射装置和接收装置。发射装置主要包含低功率激光器、光敏二极管、转轴、红外光源几个装置；接收装置主要包括光伏电池、反光镜、能量管理模块等装置。 下文将分别进行详细介绍。

2.1 发射装置设计

本设计中，激光发射装置采用低功率激光器。为了获得5W 的输出功率， 本文需要选择一种输出功率在30W以上的激光器。 由上文中的单晶硅电池转化效率最高达到27.7%[2]，本文假设激光的光电转化效率为25%。 因此在考虑各种能量损耗、亮度衰减情况下，选用30W 激光器时能获得5W 的能量。为了不造成光污染以及视觉疲劳，本文采用976nm 的激光， 该激光波长已经超过人类视觉范围，且能应用于光伏电池。为了能改变激光的发射方向，选择光纤来传输光能， 并在光纤一头加装光纤准直器用于聚焦光束。 光纤准直器见图4。

图4 光纤准直器

发射装置安装于悬挂在天花板上的转轴上，以便于调整发射方向。 为了发射装置能自动调节方向，对产生位置变化的接收装置持续供能， 并同时兼具保护使用者的目的， 我们在低功率激光器周围添加一组4 个红外光源和大量光敏二极管，与激光接收装置形成反馈。在发射装置没有寻找到接收目标时， 发射装置仅开启外围的4 个红外光源，通过转轴自动调整方向，对整个房间进行扫描。当红外光源照射到接收装置的反光镜时 （反光镜在接收装置设计中介绍），即找到目标时，反光镜会产生反射光。反射光返回发射装置， 光敏二极管收到信号后开启低功率激光器开始充电。 当使用者不小心遮挡在了激光器前时，为了节省电能，同时保护使用者不被灼伤，光敏二极管会在停止接收到红外光反射时断开低功率激光器的电源。由以上设计，发射装置可以在安全的情况下对手机持续提供能量。 发射装置示意图见图5。

图5 发射装置图

2.2 接收装置设计

接收装置主要包括光伏电池、反光镜、能量管理模块等装置。 通过一组光伏电池接收激光，光电转换器将电能输入能量管理模块，能量管理模块提供5V 输出，通过USB 为智能手机充电。 接收装置还要有一系列的反光镜，作为对发射装置的反馈装置。

（1）光伏电池，首先需要转化效率较高，且该电池能够承受一定的能量密度。 我们选用最高转化效率达到27.7%的单晶硅电池[14]，该光伏电池在30W 的激光照射下，理论能产生5W 以上的输出功率， 通过能量管理模块进行整流、稳压、滤波、存储后给手机供电。

（2）反光镜作为发射装置的反馈系统，能反射回低功率激光器周围的红外光。为了达到精准反射的目的，反光镜必须要能向原方向反射回光线， 并且尽量减小光线散射和损耗。为此本文提出一种三面体反光镜，它的功能是将射向它的任何方向的光线按照原方向返回。 反光镜结构图即光路图见图6。

图6 反光镜结构

通过将大量迷你的三面体反光镜安装在接收装置的光伏电池的边缘， 其能通过反射发射装置周围的红外光线来控制低功率激光器的工作状态， 帮助发射装置寻找目标，并且避免了安全问题。 接收装置结构如图7。

图7 接收装置

2.3 整体装置结构

在发射装置和接收装置都设计完成后， 这两部分构成了激光无线充电装置。 发射装置安装在天花板上，接收装置则可以放在桌面上。 开始充电时，红外光源首先打开，通过转轴不断调整方向。 当两装置对齐时，红外光照射到接收装置的反光镜，光敏二极管收到反射光，低功率激光器启动，通过光纤准直器向接收装置发射激光。 接收装置收到光能后，通过光伏电池将激光转化为电能，再通过能量管理模块将电流整流、滤波后输送给手机，完成手机的远程无线充电。 整体设计结构见图8。

图8 整体设计结构图

3 结论

通过低功率激光器供能，红外光源与反光镜组合精确控制转轴方向，光纤准直器投射光能到接收器，再通过光伏电池将光能转回电能，由能量管理模块整流、滤波后供电，本文成功实现了手机远程无线充电。 该方法不仅安全可靠，而且解决了无线充电的灵活性问题，能够大大改善无线充电的体验。 相信随着未来移动设备进一步丰富，激光驱动无人机技术[19]、航天器无线能量传输[20]、探测机器人等技术进一步发展，利用激光远程无线充电一定能应用在手机充电以外的更多领域，为改善人类生活做出贡献。