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電場耦合式無線供電系統(tǒng):實現(xiàn)輕松無線充電!

作者: 時間:2011-08-11 來源:網(wǎng)絡 收藏

  圖中列出了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

  方式的特點大致有三:①充電時可實現(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,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(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,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。

  

  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(qū)動送電線圈。

  而電場耦合方式只憑簡單構(gòu)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(gòu)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?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10~20℃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(zhuǎn)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容易散熱之處等對策。

  三個新課題

  利用這些特點,電場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:①無線干擾對策、②安全對策、③向多臺機器供電。

  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“ICNIRP”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(jié)果。結(jié)果表明,噪聲端子電壓及輻射噪聲均達到了標準。

  

  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。

 



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