電場(chǎng)耦合式無線供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輕松無線充電

1、電場(chǎng)耦合式無線供電系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)輕松無線充 電村田制作所開發(fā)出了基于電場(chǎng)耦合方式”的無線供電系統(tǒng)。電場(chǎng)耦合方式的無線供電技術(shù)與 電磁感應(yīng)方式"及 磁場(chǎng)共振方式"不同，通過對(duì)置送電側(cè)電極與受電側(cè)電極，利用兩電極間產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)來供電，具有抗水平錯(cuò)位能力較強(qiáng)的特點(diǎn)。村田制作所已試制完成了為平板終端、電子書終端等便攜終端進(jìn)行無線供電的供電臺(tái)。在本文中，村田制作所的新業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人和商品策劃人員將對(duì)該公司的戰(zhàn)略和技術(shù)詳情進(jìn)行介紹。在眾多企業(yè)對(duì)無線傳輸電力的無線供電技術(shù)展開研發(fā)的背景下，村田制作所將著眼點(diǎn) 放在了被稱為 龜場(chǎng)耦合方式”的技術(shù)上。以前村田制作所也開發(fā)過龜磁感應(yīng)方式”的無線供電技

2、術(shù)，但2008年前后決定改為推進(jìn)電場(chǎng)耦合方式。電場(chǎng)耦合方式的構(gòu)造簡(jiǎn)單，只要是在供電臺(tái)規(guī)定的充電區(qū)域內(nèi)，無論將產(chǎn)品放在什么 位置都可供電，可實(shí)現(xiàn) 位置自由(Free Positioning)”的供電。另外，由于可將電極減薄， 因此具有容易嵌入產(chǎn)品等其他方式所沒有的特點(diǎn)。村田制作所用了大約 3年的時(shí)間提高了技術(shù)的完成度，并構(gòu)筑了以基本專利為中心的 專利網(wǎng)。目前已試制完成為平板終端及電子書等便攜終端進(jìn)行無線供電的供電臺(tái)。村田制作所計(jì)劃2011年秋季面向平板終端的無線供電裝置量產(chǎn)輸出功率為10W的送電模塊及受電模塊。與此同時(shí)，為了擴(kuò)大電場(chǎng)耦合方式的應(yīng)用，還開始進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化工作。本文將以技術(shù)方面的內(nèi)容及特

3、點(diǎn)為核心，詳細(xì)介紹電場(chǎng)耦合方式。在業(yè)內(nèi)為少數(shù)派無線供電方式因利用的原理不同而有數(shù)種方式(圖1)。在無線供電技術(shù)中研發(fā)歷史較長(zhǎng)的是電磁感應(yīng)方式。在電動(dòng)牙刷及無線電話等領(lǐng)域已有采用的業(yè)績(jī)。電磁感應(yīng)方式方面， 目前已成立了開展標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)的業(yè)界團(tuán)體"Wireless Power Consortium! (WPC) ”,制定完成了面向5W以下設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格。圖1:眾多企業(yè)關(guān)注無線供電（點(diǎn)擊放大）圖中按電力傳輸方式匯總了無線供電的開發(fā)動(dòng)向。在大量企業(yè)致力于電磁感應(yīng)方式和 磁場(chǎng)共振方式的情況下，村田制作所則著眼于電場(chǎng)耦合方式。磁場(chǎng)共振方式”是剛剛起步的技術(shù)。其魅力在于可將電力傳輸?shù)骄嚯x數(shù)m遠(yuǎn)的地方

4、，因此眾多企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)正在進(jìn)行相關(guān)研發(fā)。村田制作所致力開發(fā)的 電場(chǎng)耦合方式在無線供電業(yè)界為少數(shù)派。除村田制作所外，日 本只有竹中工務(wù)店在研發(fā)。2011年秋季量產(chǎn)村田制作所以開辟電場(chǎng)耦合式供電裝置業(yè)務(wù)為目標(biāo)全面展開開發(fā)的時(shí)間是在2010年4月。研究本身早在 2008年前后就已開始，此后一直在確立相關(guān)技術(shù)。2010年6月村田制作所正式宣布試制完成了輸出功率為3W的送電模塊及受電模塊。同年 10月在“CEATECJAPAN2010”上參展，并在村田制作所的自行車機(jī)器人村田頑童Type ECO”上配備了該技術(shù)。與此同時(shí)還上市了輸出功率為2W的評(píng)測(cè)套件。之后，村田制作所決定對(duì)送電模塊及受電模塊實(shí)施量產(chǎn)

5、（圖2）。模塊面向平板終端充電用途，輸出功率為 10W。另外，還預(yù)定2011年推出配備該送電模塊及受電模塊的供電裝 置（圖3）。圖2:將于2011年秋季量產(chǎn)10W產(chǎn)品村田制作所將面向平板終端使用的充電座，量產(chǎn)輸出功率為10W的送電模塊及受電模 塊。模塊中最厚的部分是 變壓器送電模塊 hfLQWSl0nEA-0l4ntO3mm受電模塊 llLmS10flTEA-015,JJ圖3:供平板終端使用的產(chǎn)品不久即將亮相村田制作所預(yù)定2011年內(nèi)上市供平板終端使用的無線供電臺(tái)。系統(tǒng)整體效率約為70%,可應(yīng)對(duì)最大 40mm的水平錯(cuò)位。照片中的是 2010年村田制作所發(fā)表新聞資料時(shí)的試 制品。該裝置通過在平板

6、終端的背面裝上內(nèi)置有電極的外套來實(shí)現(xiàn)無線供電。受電模塊收放在外套的下部。另外，在供電臺(tái)上嵌入電極和送電模塊，可將外套放在供電臺(tái)上使用平板終端。電力傳輸效率可確保達(dá)到70%。通過電場(chǎng)傳輸電力下面介紹一下村田制作所開發(fā)的電場(chǎng)耦合式無線供電技術(shù)的概要。其基本構(gòu)成如圖4所示。下面稱為 振蕩器”的部分為送電側(cè)，稱為 負(fù)荷”的部分為受電側(cè)。利用通過使兩組非 對(duì)稱偶極子沿垂直方向耦合而產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)來傳輸電力。受電電極內(nèi)置于外強(qiáng)的皆面）受電模塊（內(nèi)置科卜套中）送電模埃圖4:電力傳輸需要使用兩組電極村田制作所的電場(chǎng)耦合方式利用通過沿垂直方向耦合兩組非對(duì)稱偶極子而產(chǎn)生的感應(yīng) 電場(chǎng)來傳輸電力。其基本原理為：在圖

7、4中以淡藍(lán)色標(biāo)示的部分產(chǎn)生強(qiáng)感應(yīng)電場(chǎng)，通過電場(chǎng)將電力從送 電側(cè)轉(zhuǎn)移到受電側(cè)。 村田制作所已獲得了這種構(gòu)造的專利（專利號(hào)：PCT/FR2006/000614 ）。村田制作所的方法的特點(diǎn)在于非對(duì)稱偶極子，需要兩組電極。村田制作所將其稱為 active electrode 和 passive electrode passive electrode主要起著接地作用。系統(tǒng)通過組合這些 電極來傳輸電力。在系統(tǒng)的構(gòu)成部件方面，與電磁感應(yīng)方式和磁場(chǎng)共振方式等其他無線供電技術(shù)相比， 電源部分相同。受電模塊配備降壓電路及整流電路，向充電池及設(shè)備供應(yīng)電力。電場(chǎng)耦合方式與其他方式相差較大的地方是各部分的電壓推移變化（

8、圖5）。比如輸入電壓為5V的AC適配器，在向送電模塊供應(yīng)電力時(shí)，首先由放大器略微提高電壓，然后通 過升壓電路一舉提高至1.5kV左右。以這一電壓傳輸電力后，再利用降壓電路及整流電路轉(zhuǎn)換成實(shí)際使用的直流電壓。電源電路的開關(guān)頻率為200k400kHz,由此構(gòu)成系統(tǒng)。電極(passive electrode)送電側(cè)登電惻圖5:以高電壓傳輸電力圖中列出了電場(chǎng)耦合方式的各部分的電壓推移變化。最大特點(diǎn)是通過升壓電路將電壓 提高至1.5kV來傳輸電力。實(shí)現(xiàn)位置自由電場(chǎng)耦合方式的特點(diǎn)大致有三：充電時(shí)可實(shí)現(xiàn)位置自由，電極薄，電極部的溫 度不會(huì)上升。首先來看第一個(gè)特點(diǎn)，即位置自由。雖然不能像磁場(chǎng)共振方式那樣以數(shù)m

9、的較長(zhǎng)距離來傳輸電力，但水平方向的位置自由度較高。比如，用戶將便攜終端隨意放置在供電臺(tái)位上即可充電。這有助于提高用戶便利性。實(shí)際上，與電磁感應(yīng)方式比較一下的話，這一不同就會(huì)清楚無疑（圖6）。當(dāng)電極間的錯(cuò)位（dz/D）為1時(shí)，送電側(cè)與受電側(cè)的電極及線圈幾乎不重疊，處于大幅錯(cuò)位狀態(tài)。從圖 中便可一目了然，電場(chǎng)耦合方式即使電極有相當(dāng)于1的錯(cuò)位，傳輸效率也只下降了20%。由此便可得知，電極間錯(cuò)位較少時(shí)，該方式的傳輸效率只會(huì)下降10%左右。送電tii塊至電HI塊振藩靠5V圖6:實(shí)現(xiàn)出色的位置自由度圖中比較了電場(chǎng)耦合方式與電磁感應(yīng)方式對(duì)水平錯(cuò)位的效率變化。而電磁感應(yīng)方式則不同，送電線圈與受電線圈的中心必須

10、完全吻合。稍有錯(cuò)位的話，傳輸效率就會(huì)急劇下降。因此，采用電磁感應(yīng)方式的業(yè)界團(tuán)體WPC制定的“Qi規(guī)格為實(shí)現(xiàn)位置自由而不得不絞盡腦汁。比如，排列大量送電線圈，并用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)送電線圈。而電場(chǎng)耦合方式只憑簡(jiǎn)單構(gòu)造即可應(yīng)對(duì)錯(cuò)位問題，因此不僅能夠提供便利性，而且還 可降低系統(tǒng)成本。設(shè)計(jì)自由度高的電極電場(chǎng)耦合方式的第二個(gè)特點(diǎn)是電極薄?？梢哉f，能夠減薄到無論多么薄都沒關(guān)系的程 度。因此容易嵌入機(jī)器，可支持多種機(jī)器。比如在配備到薄型化要求極高的智能電話上時(shí)，只粘貼1.5cm見方、厚5叩 左右的電極材料（比如銅箔）即可（圖 7）。10D圖7:嵌入智能電話后蓋的示例由于可使用極薄的電極，因此容易嵌入智能電話等。電極

11、不一定非要是四方形，任何 形狀都可以。另外，還可制成多種形狀。沒有必要非制成四方形不可，也可以是三角形、圓形及細(xì) 長(zhǎng)的電極。電極使用的材料也可隨意， 導(dǎo)電體的話最好，除銅箔外還可使用鋁箔、 透明電極、 薄膜及鍍金等材料。因此可以說，在嵌入多種構(gòu)成及大小的機(jī)器時(shí)，設(shè)計(jì)自由度較高。第三點(diǎn)是電極部分的溫度不會(huì)上升， 這也是很重要的特點(diǎn) （圖8）。村田制作所在與客 戶討論的過程中，經(jīng)常談及熱對(duì)策的重要性。由于溫度不會(huì)上升，因此能夠?qū)㈦姌O部分接近 容易受熱劣化的電池組來配置。圖8:電極部分的溫度不會(huì)上升由于電極部分不會(huì)發(fā)熱，因此即使靠近電池組來配置，電池受熱劣化的可能性也很低。至于電極部分緣何不發(fā)熱的原

12、因如圖5所示，這與提高電壓有很大關(guān)系。由于將電壓提高到了 1.5kV左右，電極部分流過的電流只有數(shù)mA左右，因此在原理上抑制了發(fā)熱的致因。當(dāng)然，送電模塊及受電模塊由于配備有電源電路，電源電路的電力損失會(huì)變成熱，因此仍會(huì)發(fā)生1020C左右的熱量（圖9）。不過，這一點(diǎn)在設(shè)計(jì)階段即可采取對(duì)策，比如將 送電模塊及受電模塊遠(yuǎn)離電池組來配置。（未完待續(xù)，特約撰稿人：家木英治，村田制作所技術(shù)事業(yè)開發(fā)本部本部長(zhǎng)，鄉(xiāng)間真治，村田制作所技術(shù)事業(yè)開發(fā)本部應(yīng)用技術(shù)商品部商品企劃課股長(zhǎng)）圖9:受電部分的發(fā)熱可通過設(shè)計(jì)采取對(duì)策受電模塊會(huì)因降壓電路及 DC-DC轉(zhuǎn)換器等發(fā)生電力損失而產(chǎn)生熱量。不過，可采取遠(yuǎn)離電池組或配置在

13、容易散熱之處等對(duì)策。三個(gè)新課題利用這些特點(diǎn)，也血耦合方式今后將被逐漸嵌入機(jī)器中。屆時(shí)技術(shù)上將有三個(gè)觀點(diǎn)變 得尤為重要：無線干擾對(duì)策、安全對(duì)策、向多臺(tái)機(jī)器供電。首先是無線干擾特性的對(duì)策。這方面需要與人體及其他機(jī)器所受影響有關(guān)的多種標(biāo)準(zhǔn)取得統(tǒng)一。村田制作所不久將開始量產(chǎn)的輸出功率為10W的送電模塊及受電模塊將符合I'CNIRP”及“ CISPR 22等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（表1）。圖10列出了與無線干擾標(biāo)準(zhǔn)“CISPR 22 Class B相關(guān)的檢測(cè)結(jié)果。結(jié)果表明，噪聲端子電壓及輻射噪聲均達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)。違電,坎I堡電播說循O - * IP * -廿|*3 -弱做m 瞅日升任電路電盟 晟壓電路整土翌主伺|

14、圖10:無線干擾特性在標(biāo)準(zhǔn)值以下圖中列出了無線傳輸 10W電力時(shí)符合無線干擾國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)“CISPR 22的情況。無線干擾的數(shù)值均在標(biāo)準(zhǔn)值以下。在設(shè)計(jì)供電臺(tái)時(shí)村田制作所也采取了相應(yīng)手段。其要點(diǎn)在于配置了active electrode和passive electrode 兩組電極。其中, active electrode 會(huì)產(chǎn)生極高的 電場(chǎng)。而 passive electrode 則起到了接地作用，以包圍 active electrode的形式來配置。如此配置是為了對(duì)送電模塊及開關(guān)等形成屏蔽予以保護(hù)，并防止 active electrode產(chǎn)生 的高電場(chǎng)向外部逃逸。遵循這一思想來設(shè)計(jì)的話，不僅可以

15、充分符合法制規(guī)定，還可防止給 人體及周圍機(jī)器帶來影響。必須采取絕緣對(duì)策接下來是安全對(duì)策。電場(chǎng)耦合方式正如以前多次說過的一樣使用的是高電壓。因此 村田制作所本身也在竭力推進(jìn)安全對(duì)策方面的開發(fā)。首先必須要使電極部分絕緣。為了消除人接觸后漏電的可能性，電極部分采取了必須 絕緣的措施。僅此一項(xiàng)，就使安全性得到了大幅提高。而且還配備了機(jī)器未放在供電臺(tái)上時(shí)以及充滿電時(shí)停止電力傳輸?shù)目刂乒δ?。此外?還配備了軟件處理功能，當(dāng)發(fā)生人體接近或金屬異物掉入等異常情況時(shí)，就會(huì)檢測(cè)負(fù)荷變化，停止電力傳輸。另外還采取了萬一漏電時(shí)也會(huì)立即停止電力傳輸，以防止機(jī)器著火或冒煙的對(duì)策?？上蚨嗯_(tái)機(jī)器供電最后是對(duì)多臺(tái)機(jī)器的支持，有

16、望利用電場(chǎng)耦合方式的特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。這一想法位于位置自由這一特點(diǎn)的延長(zhǎng)線上，也就是說，只要將多臺(tái)機(jī)器適當(dāng)?shù)胤旁诠╇娕_(tái)上，即可向任何_臺(tái)機(jī)器無線供電。在擴(kuò)大位置自由的范圍時(shí)，可以考慮的手段有加大送電側(cè)耦合電極的方法，以及配置多個(gè)送電側(cè)耦合電極來切換的方法。不過，加大電極的方法會(huì)導(dǎo)致感應(yīng)電場(chǎng)過度擴(kuò)大，在符合法規(guī)及確保安全性等方面會(huì)變?yōu)閱栴}。因此，要想為多臺(tái)機(jī)器供電的話，最好是在送電側(cè)準(zhǔn)備多個(gè)電極。村田制作所已完成試制品，并在2011年1月于美國(guó)拉斯維加斯舉行的展會(huì)“2011 International CES上首次進(jìn)行了展示。當(dāng)時(shí)的試制品可同時(shí)向兩部電子書終端供電。供電臺(tái)配備有4個(gè)電極，僅由距受電對(duì)象

17、即電子書終端的放置處最近的電極來供應(yīng)電力（圖11）。這樣一來，只會(huì)在想要傳輸電力的部分產(chǎn)生電場(chǎng)。由于其他部分完全不會(huì)產(chǎn) 生電場(chǎng)，因此即使用手觸碰或放置金屬也不會(huì)發(fā)生問題，可充分確保安全性。1if人臃毓ICNIRPQkEMCM隨機(jī)CISFR 22VCCIFCC part1i5 CIabe BFCC P-rtiBOK南段電旺的主神lEteoM。MdfGhUL6O950H綬！圖11:只向需要的地方供電通過切換送電用電極的開關(guān)，可只啟動(dòng)與受電用電極對(duì)應(yīng)的部分。還可向多臺(tái)機(jī)器供 電。產(chǎn)品線的擴(kuò)充和小型化最后介紹一下村田制作所今后的開發(fā)藍(lán)圖。大的方向是對(duì)產(chǎn)品線進(jìn)行擴(kuò)充及小型化。首先來看產(chǎn)品線的擴(kuò)充，除了已

18、在構(gòu)筑量產(chǎn)體制的 5W及10W產(chǎn)品之外，還將開發(fā)50W及100W等輸出功率更大的產(chǎn)品。在5W及10W產(chǎn)品方面，最重要的是小型化（圖 12）。為能夠在2012年度投放小型 產(chǎn)品，村田制作所增加了技術(shù)人員的數(shù)量，強(qiáng)化了開發(fā)體制。 AS聲端子電壓！ CI5PR 22 (150k-3MHz>0口_Cb) I射哩胃 I CI5PR 22觸z圖12:目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)大幅小型化圖中列出了開發(fā)藍(lán)圖。不僅是 10W產(chǎn)品，還將擴(kuò)充多種輸出功率的品種。另外還將推 進(jìn)小型化并導(dǎo)入新技術(shù)。實(shí)際上，要想實(shí)現(xiàn)小型化，對(duì)負(fù)責(zé)升降壓的變壓器實(shí)施改進(jìn)是必不可少的工作。從圖2也可看出，變壓器是厚度最大的部分。目前變壓器采用的是線圈式變壓器?，F(xiàn)在正在考慮通過提高頻率來減少線圈的圈數(shù)，由此實(shí)現(xiàn)小型薄型化。另外，村田制作所也設(shè)想過采用壓電變壓器。壓電變壓器在技術(shù)上難度非常高，但能 獲得很好的效果，因此村田制作所發(fā)起了挑戰(zhàn)。實(shí)現(xiàn)能夠輕松充電的世界除了小型化以外，村田制作所還進(jìn)行了其他幾項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)。其中，在提高 無線供電中 任何人都很在意的傳輸效率上下了很大工夫。 在這一方面，掌握關(guān)鍵的是器件的改善，特別 是Q值的改善。當(dāng)然，在安全性上村田制作所已投入大量