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

　　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(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

　　電場耦合方式的特點(diǎn)大致有三：①充電時可實(shí)現(xiàn)位置自由，②電極薄，③電極部的溫度不會上升。

　　首先來看第一個特點(diǎn)，即位置自由。雖然不能像磁場共振方式那樣以數(shù)m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(shí)際上，與電磁感應(yīng)方式比較一下的話，這一不同就會清楚無疑（圖6）。當(dāng)電極間的錯位（dz/D）為1時，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(dāng)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。

　　圖6：實(shí)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(yīng)方式對水平錯位的效率變化。

　　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。稍有錯位的話，傳輸效率就會急劇下降。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)動送電線圈。

　　而電場耦合方式只憑簡單構(gòu)造即可應(yīng)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(shè)計(jì)自由度高的電極

　　電場耦合方式的第二個特點(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，只粘貼1.5cm見方、厚5μm左右的電極材料（比如銅箔）即可（圖7）。

　　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。沒有必要非制成四方形不可，也可以是三角形、圓形及細(xì)長的電極。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，設(shè)計(jì)自由度較高。

　　第三點(diǎn)是電極部分的溫度不會上升，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)常談及熱對策的重要性。由于溫度不會上升，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變成熱，因此仍會發(fā)生10～20℃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，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）

　　圖9：受電部分的發(fā)熱可通過設(shè)計(jì)采取對策

　　受電模塊會因降壓電路及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)離電池組或配置在容易散熱之處等對策。

　　三個新課題

　　利用這些特點(diǎn)，電場耦合方式今后將被逐漸嵌入機(jī)器中。屆時技術(shù)上將有三個觀點(diǎn)變得尤為重要：①無線干擾對策、②安全對策、③向多臺機(jī)器供電。

　　首先是①無線干擾特性的對策。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“ICNIRP”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電力時符合無線干擾國際標(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)供電臺時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(guān)等形成屏蔽予以保護(hù)，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(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圍機(jī)器帶來影響。