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

1、電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng): 輕松無(wú)線充電 實(shí)現(xiàn) 電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)輕松無(wú)線充 電 村田制作所開(kāi)發(fā)出了基于 電場(chǎng)耦合方式的 無(wú)線供電系統(tǒng)。電場(chǎng)耦合方式的無(wú)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(guò)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(lái)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(shū)終端等便攜終端進(jìn)行無(wú)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(wú)線傳輸電力的無(wú)線供電技術(shù) 展開(kāi)研發(fā)的背景下，村田制作所將著眼點(diǎn)放在了 被稱為電場(chǎng)耦合方式的技術(shù)上。以前村田制

2、作 所也開(kāi)發(fā)過(guò) 電磁感應(yīng)方式的無(wú)線供電技術(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(wú)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 Positionin 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(méi)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(zhuān)利為中心的專(zhuān)利 網(wǎng)。目前已試制完成為平板終端及電子書(shū)等便攜 終端進(jìn)行無(wú)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(wú)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

3、應(yīng)用，還開(kāi)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(wú)線供電方式因利用的原理不同而有數(shù)種方 式(圖1)。在無(wú)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(wú)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(kāi)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。 7_ ! 圖1:眾多企業(yè)關(guān)注無(wú)線供電（點(diǎn)擊放大） 圖中按電力傳輸方式匯總了無(wú)線供電的開(kāi)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

4、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，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(kāi)發(fā)的電場(chǎng)耦合方式在無(wú)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(kāi)辟電場(chǎng)耦合式供電裝置業(yè)務(wù) 為目標(biāo)全面展開(kāi)開(kāi)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(kāi)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“CEATEC JAPAN2010” 上參展，并在村田制作所的自行車(chē)機(jī)器人“村田 頑童Type ECO”

5、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)（圖2） o模塊面向平板終端充電用 途，輸出功率為10Wo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） o 多家公同展示試am 多家公旬正衣 向汽車(chē)用戶權(quán)總 送電功事（i） 電1扁應(yīng)方氏 已小垃伶糾封產(chǎn)設(shè)的真用化 電卻合方式 場(chǎng)典方式 ii O O 牌旳 L1二龔 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 mLQWS10TTEA-014m

6、 I108mm 受電模塊 uLQWS10RTEA-015H UMug 二 76.5mm 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(wú)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(guò)在平板終端的背面裝上內(nèi)置有電 to 極的外套來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)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(guò)電場(chǎng)傳輸電力 下面介紹一下村田制作所開(kāi)發(fā)的電場(chǎng)耦合式 無(wú)線供電技術(shù)的概要。其基本構(gòu)成如圖

7、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(guò)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(lái)傳輸電力。 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(guò)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(lái)傳輸電力。 其基本原理為：在圖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(guò)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(zhuān) 利（專(zhuān)利號(hào)：PCT/FR2OO6/00O614 ）。 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 pa

8、ssive electrode 主要起著接地作用。系統(tǒng)通過(guò)組合這些電極來(lái)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(wú)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（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(guò)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(kāi)關(guān)頻率為200k 400kHz，由此構(gòu)成系統(tǒng)。 電極passive el

9、ectrode) 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(guò)升壓電路將電壓提咼至 1.5kV來(lái)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(lái)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的較長(zhǎng)距離來(lái)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(wú)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

10、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。 卄 1 1 升匝葩螢: I- SlW 1 | 1.5RV 電 圧 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

11、應(yīng)對(duì)錯(cuò)位 問(wèn)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。可以 說(shuō)，能夠減薄到無(wú)論多么薄都沒(méi)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(jiàn)方、厚5m左右的電極材 料（比如銅箔）即可（圖7）。 Bf*的$優(yōu)俛 7 申.融厘才 、 1 0 Q2as OS 電蛍間的1#位dIs-D) 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(méi)有必要非制成 四方形不可，也可以是三角形、圓

12、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(shuō)，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(guò)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(lái)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(lái)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)熱的原因如圖 5所示, 這與提咼電壓有很大關(guān)系。由于將電壓提咼到了 1.5kV左右，電極部分流過(guò)的電流

13、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10 20C左右的熱量（圖9）。不過(guò)，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(lái)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)，可采取遠(yuǎn)離電池 組或配置在容易散熱之處等對(duì)策。 三個(gè)新課題 利用這些特點(diǎn)，電場(chǎng)耦合方

14、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(wú)線干擾對(duì)策、安全對(duì)策、向多臺(tái) 機(jī)器供電。 首先是無(wú)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(kāi)始量產(chǎn)的輸出功率 為10W的送電模塊及受電模塊將符合 ICNIRP”及“ CISPR 22等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（表1）。 圖10列出了與無(wú)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)。 圖10：無(wú)線干擾特性在標(biāo)準(zhǔn)值以下 圖中列出了無(wú)線傳輸10W電力時(shí)符合無(wú)線干 擾國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)“CISPR 22的情況。無(wú)線干擾的數(shù) 值均在標(biāo)準(zhǔn)值以下。

15、 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(lái)配置。 如此配置是為了對(duì)送電模塊及開(kāi)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(lái)設(shè)計(jì)的話，不僅 可以充分符合法制規(guī)定，還可防止給人體及周?chē)?機(jī)器帶來(lái)影響。 必須采取絕緣對(duì)策 接下來(lái)是安全對(duì)策。電場(chǎng)耦合方式正如以 前多次說(shuō)過(guò)的一樣使用的是高

16、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(kāi)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堋?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(wàn)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。 可向多臺(tái)機(jī)器供電 最后是對(duì)多臺(tái)機(jī)器的支持，有望利用電場(chǎng) 耦合方式的特點(diǎn)來(lái)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(shuō)，只要將多臺(tái)機(jī) 器適當(dāng)?shù)胤?/p>

17、在供電臺(tái)上，即可向任何一臺(tái)機(jī)器無(wú) 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(lái)切換的方法。不過(guò)，加大電極的 方法會(huì)導(dǎo)致感應(yīng)電場(chǎng)過(guò)度擴(kuò)大，在符合法規(guī)及確 保安全性等方面會(huì)變?yōu)閱?wèn)題。 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(shū)終端供 電。 供電臺(tái)配備有4個(gè)電極，僅由距受電對(duì)象即 電子書(shū)終端的放置處最近的電極來(lái)供應(yīng)電力（圖 11）。這樣一來(lái)，只會(huì)在想要傳

18、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(wèn)題，可充 分確保安全性。 1.2 軸土 iEt槌霽1 ICNIRP OK EMC CISPR22 tfCCl FCC part嶼 CIabe B FCC partiB OK IECW950 ULSO950 技術(shù)Cfe 綣！ 圖11：只向需要的地方供電 通過(guò)切換送電用電極的開(kāi)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(kāi)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(lái) 看產(chǎn)品線的擴(kuò)充，除了已在構(gòu)筑量產(chǎn)體制的 5W及10W產(chǎn)品之外，還將開(kāi)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(kāi)發(fā) 體制。 90 (b)常帀鵡子電JE? GI5PR 22 (150k-3WHz) 90 50欣 7DQH 1M3 療卑(Hz) Cb)CI5PR 22 304-1 恤 5M 7M 10M 2W 30W 圖12:目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)大幅小型化 圖中列出了開(kāi)發(fā)藍(lán)圖。不僅是 10W