電場耦合式無線供電系統(tǒng)實現(xiàn)輕松無線充電

1、電場耦合式無線供電系統(tǒng)：實現(xiàn)輕松無線充 電村田制作所開發(fā)出了基于電場耦合方式”的無線供電系統(tǒng)。電場耦合方式的無線供電技術與 電磁感應方式"及 磁場共振方式"不同，通過對置送電側電極與受電側電極，利用兩電極間產(chǎn)生的感應電場來供電，具有抗水平錯位能力較強的特點。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行無線供電的供電臺。在本文中，村田制作所的新業(yè)務負責人和商品策劃人員將對該公司的戰(zhàn)略和技術詳情進行介紹。在眾多企業(yè)對無線傳輸電力的無線供電技術展開研發(fā)的背景下，村田制作所將著眼點 放在了被稱為 龜場耦合方式”的技術上。以前村田制作所也開發(fā)過龜磁感應方式”的無線供電技

2、術，但2008年前后決定改為推進電場耦合方式。電場耦合方式的構造簡單，只要是在供電臺規(guī)定的充電區(qū)域內，無論將產(chǎn)品放在什么 位置都可供電，可實現(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。村田制作所用了大約 3年的時間提高了技術的完成度，并構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行無線供電的供電臺。村田制作所計劃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，為了擴大電場耦合方式的應用，還開始進行標準化工作。本文將以技術方面的內容及特

3、點為核心，詳細介紹電場耦合方式。在業(yè)內為少數(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)。在無線供電技術中研發(fā)歷史較長的是電磁感應方式。在電動牙刷及無線電話等領域已有采用的業(yè)績。電磁感應方式方面， 目前已成立了開展標準化作業(yè)的業(yè)界團體"Wireless Power Consortium! (WPC) ”,制定完成了面向5W以下設備的標準規(guī)格。圖1:眾多企業(yè)關注無線供電（點擊放大）圖中按電力傳輸方式匯總了無線供電的開發(fā)動向。在大量企業(yè)致力于電磁感應方式和 磁場共振方式的情況下，村田制作所則著眼于電場耦合方式。磁場共振方式”是剛剛起步的技術。其魅力在于可將電力傳輸?shù)骄嚯x數(shù)m遠的地方

4、，因此眾多企業(yè)及研究機構正在進行相關研發(fā)。村田制作所致力開發(fā)的 電場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 本只有竹中工務店在研發(fā)。2011年秋季量產(chǎn)村田制作所以開辟電場耦合式供電裝置業(yè)務為目標全面展開開發(fā)的時間是在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技術。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器人村田頑童Type ECO”上配備了該技術。與此同時還上市了輸出功率為2W的評測套件。之后，村田制作所決定對送電模塊及受電模塊實施量產(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定2011年內上市供平板終端使用的無線供電臺。系統(tǒng)整體效率約為70%,可應對最大 40mm的水平錯位。照片中的是 2010年村田制作所發(fā)表新聞資料時的試 制品。該裝置通過在平板

6、終端的背面裝上內置有電極的外套來實現(xiàn)無線供電。受電模塊收放在外套的下部。另外，在供電臺上嵌入電極和送電模塊，可將外套放在供電臺上使用平板終端。電力傳輸效率可確保達到70%。通過電場傳輸電力下面介紹一下村田制作所開發(fā)的電場耦合式無線供電技術的概要。其基本構成如圖4所示。下面稱為 振蕩器”的部分為送電側，稱為 負荷”的部分為受電側。利用通過使兩組非 對稱偶極子沿垂直方向耦合而產(chǎn)生的感應電場來傳輸電力。受電電極內置于外強的皆面）受電模塊（內置科卜套中）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耦合方式利用通過沿垂直方向耦合兩組非對稱偶極子而產(chǎn)生的感應 電場來傳輸電力。其基本原理為：在圖

7、4中以淡藍色標示的部分產(chǎn)生強感應電場，通過電場將電力從送 電側轉移到受電側。 村田制作所已獲得了這種構造的專利（專利號：PCT/FR2006/000614 ）。村田制作所的方法的特點在于非對稱偶極子，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)的構成部件方面，與電磁感應方式和磁場共振方式等其他無線供電技術相比， 電源部分相同。受電模塊配備降壓電路及整流電路，向充電池及設備供應電力。電場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，在向送電模塊供應電力時，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換成實際使用的直流電壓。電源電路的開關頻率為200k400kHz,由此構成系統(tǒng)。電極(passive electrode)送電側登電惻圖5:以高電壓傳輸電力圖中列出了電場耦合方式的各部分的電壓推移變化。最大特點是通過升壓電路將電壓 提高至1.5kV來傳輸電力。實現(xiàn)位置自由電場耦合方式的特點大致有三：充電時可實現(xiàn)位置自由，電極薄，電極部的溫 度不會上升。首先來看第一個特點，即位置自由。雖然不能像磁場共振方式那樣以數(shù)m

9、的較長距離來傳輸電力，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位上即可充電。這有助于提高用戶便利性。實際上，與電磁感應方式比較一下的話，這一不同就會清楚無疑（圖6）。當電極間的錯位（dz/D）為1時，送電側與受電側的電極及線圈幾乎不重疊，處于大幅錯位狀態(tài)。從圖 中便可一目了然，電場耦合方式即使電極有相當于1的錯位，傳輸效率也只下降了20%。由此便可得知，電極間錯位較少時，該方式的傳輸效率只會下降10%左右。送電tii塊至電HI塊振藩靠5V圖6:實現(xiàn)出色的位置自由度圖中比較了電場耦合方式與電磁感應方式對水平錯位的效率變化。而電磁感應方式則不同，送電線圈與受電線圈的中心必須

10、完全吻合。稍有錯位的話，傳輸效率就會急劇下降。因此，采用電磁感應方式的業(yè)界團體WPC制定的“Qi規(guī)格為實現(xiàn)位置自由而不得不絞盡腦汁。比如，排列大量送電線圈，并用馬達驅動送電線圈。而電場耦合方式只憑簡單構造即可應對錯位問題，因此不僅能夠提供便利性，而且還 可降低系統(tǒng)成本。設計自由度高的電極電場耦合方式的第二個特點是電極薄。可以說，能夠減薄到無論多么薄都沒關系的程 度。因此容易嵌入機器，可支持多種機器。比如在配備到薄型化要求極高的智能電話上時，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 長的電極。電極使用的材料也可隨意， 導電體的話最好，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，在嵌入多種構成及大小的機器時，設計自由度較高。第三點是電極部分的溫度不會上升， 這也是很重要的特點 （圖8）。村田制作所在與客 戶討論的過程中，經(jīng)常談及熱對策的重要性。由于溫度不會上升，因此能夠將電極部分接近 容易受熱劣化的電池組來配置。圖8:電極部分的溫度不會上升由于電極部分不會發(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變成熱，因此仍會發(fā)生1020C左右的熱量（圖9）。不過，這一點在設計階段即可采取對策，比如將 送電模塊及受電模塊遠離電池組來配置。（未完待續(xù)，特約撰稿人：家木英治，村田制作所技術事業(yè)開發(fā)本部本部長，鄉(xiāng)間真治，村田制作所技術事業(yè)開發(fā)本部應用技術商品部商品企劃課股長）圖9:受電部分的發(fā)熱可通過設計采取對策受電模塊會因降壓電路及 DC-DC轉換器等發(fā)生電力損失而產(chǎn)生熱量。不過，可采取遠離電池組或配置在

13、容易散熱之處等對策。三個新課題利用這些特點，也血耦合方式今后將被逐漸嵌入機器中。屆時技術上將有三個觀點變 得尤為重要：無線干擾對策、安全對策、向多臺機器供電。首先是無線干擾特性的對策。這方面需要與人體及其他機器所受影響有關的多種標準取得統(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等相關標準（表1）。圖10列出了與無線干擾標準“CISPR 22 Class B相關的檢測結果。結果表明，噪聲端子電壓及輻射噪聲均達到了標準。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:無線干擾特性在標準值以下圖中列出了無線傳輸 10W電力時符合無線干擾國際標準“CISPR 22的情況。無線干擾的數(shù)值均在標準值以下。在設計供電臺時村田制作所也采取了相應手段。其要點在于配置了active electrode和passive electrode 兩組電極。其中, active electrode 會產(chǎn)生極高的 電場。而 passive electrode 則起到了接地作用，以包圍 active electrode的形式來配置。如此配置是為了對送電模塊及開關等形成屏蔽予以保護，并防止 active electrode產(chǎn)生 的高電場向外部逃逸。遵循這一思想來設計的話，不僅可以

15、充分符合法制規(guī)定，還可防止給 人體及周圍機器帶來影響。必須采取絕緣對策接下來是安全對策。電場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安全對策方面的開發(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，就使安全性得到了大幅提高。而且還配備了機器未放在供電臺上時以及充滿電時停止電力傳輸?shù)目刂乒δ?。此外?還配備了軟件處理功能，當發(fā)生人體接近或金屬異物掉入等異常情況時，就會檢測負荷變化，停止電力傳輸。另外還采取了萬一漏電時也會立即停止電力傳輸，以防止機器著火或冒煙的對策?？上蚨嗯_機器供電最后是對多臺機器的支持，有

16、望利用電場耦合方式的特點來實現(xiàn)。這一想法位于位置自由這一特點的延長線上，也就是說，只要將多臺機器適當?shù)胤旁诠╇娕_上，即可向任何_臺機器無線供電。在擴大位置自由的范圍時，可以考慮的手段有加大送電側耦合電極的方法，以及配置多個送電側耦合電極來切換的方法。不過，加大電極的方法會導致感應電場過度擴大，在符合法規(guī)及確保安全性等方面會變?yōu)閱栴}。因此，要想為多臺機器供電的話，最好是在送電側準備多個電極。村田制作所已完成試制品，并在2011年1月于美國拉斯維加斯舉行的展會“2011 International CES上首次進行了展示。當時的試制品可同時向兩部電子書終端供電。供電臺配備有4個電極，僅由距受電對象

17、即電子書終端的放置處最近的電極來供應電力（圖11）。這樣一來，只會在想要傳輸電力的部分產(chǎn)生電場。由于其他部分完全不會產(chǎn) 生電場，因此即使用手觸碰或放置金屬也不會發(fā)生問題，可充分確保安全性。1if人臃毓ICNIRPQkEMCM隨機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，可只啟動與受電用電極對應的部分。還可向多臺機器供 電。產(chǎn)品線的擴充和小型化最后介紹一下村田制作所今后的開發(fā)藍圖。大的方向是對產(chǎn)品線進行擴充及小型化。首先來看產(chǎn)品線的擴充，除了已

18、在構筑量產(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人員的數(shù)量，強化了開發(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:目標是實現(xiàn)大幅小型化圖中列出了開發(fā)藍圖。不僅是 10W產(chǎn)品，還將擴充多種輸出功率的品種。另外還將推 進小型化并導入新技術。實際上，要想實現(xiàn)小型化，對負責升降壓的變壓器實施改進是必不可少的工作。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)，由此實現(xiàn)小型薄型化。另外，村田制作所也設想過采用壓電變壓器。壓電變壓器在技術上難度非常高，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，村田制作所還進行了其他幾項技術改進。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，掌握關鍵的是器件的改善，特別 是Q值的改善。當然，在安全性上村田制作所已投入大量