Qi規(guī)格超速啟動 無線供電全球推進標準化

　　Qi規(guī)格將席卷全世界

　　Qi規(guī)格的興起不僅僅是在日本國內(nèi)（圖3）。加盟WPC的企業(yè)截至2011年10月已經(jīng)超過100家。雖然其中也有日本企業(yè)，但大多數(shù)是海外企業(yè)（表1）。具有代表性的是美國大型手機運營商韋里孫無線（Verizon Wireless）。加盟WPC的該公司已經(jīng)發(fā)布了7款以上支持Qi規(guī)格無線供電功能的智能手機。

　　圖3：加盟WPC的企業(yè)達100家

　　2008年12月設(shè)立的WPC的加盟企業(yè)截至2011年10月已經(jīng)達到100家。2011年11月以后的加盟企業(yè)數(shù)為推測值。

　　WPC加盟企業(yè)還以手機廠商為中心大幅擴大了行業(yè)的跨度。例如，家電廠商中已有中國的海爾集團（Haier Electronics Group）、韓國的LG電子以及三星電子等公司加盟。日本的電裝等汽車關(guān)聯(lián)企業(yè)以及知名半導(dǎo)體廠商和部件廠商也已經(jīng)加盟，目前正探討將Qi規(guī)格用于多種產(chǎn)品。

　　新一代Qi規(guī)格正在探討將目前為5W以下的輸出功率限制最大擴大到120W。“計劃分階段實現(xiàn)，首先將面向個人電腦等實現(xiàn)30～35W的輸出功率”（WPC相關(guān)人士）。如果能提高輸出功率，可利用無線供電技術(shù)的產(chǎn)品將大幅增加。

　　抗衡技術(shù)也在打算卷土重來

　　如上所述，Qi規(guī)格成功實現(xiàn)了在短時間內(nèi)普及擴大的超速啟動（Rocket Start）。不過，無線供電技術(shù)并不能斷言“肯定是采用電磁感應(yīng)方式的Qi規(guī)格”。Qi要在所有便攜終端上普及，并建設(shè)社會基礎(chǔ)設(shè)施還需要相當(dāng)長的時間。原因是，有大量技術(shù)群欲通過事實上的競爭和規(guī)格化競爭卷土重來（圖4）。

　　圖4：除電磁感應(yīng)方式以外還有很多其他無線供電技術(shù)

　　Qi規(guī)格使用的電磁感應(yīng)方式以外的無線供電技術(shù)安裝示例。（a）的特點是，對供電底座的位置偏移容許度比電磁感應(yīng)方式高。（b）方式可實現(xiàn)充電底座的立體設(shè)計。（c）的線圈間距離和朝向自由度較高。（d）的線路方向的位置自由度較高。

　　Qi規(guī)格的對抗技術(shù)可分為以下3種：①電場耦合方式、②磁共振方式、③線路/共振器耦合方式。

　?、匐妶鲴詈戏绞绞鞘轨o電容量較大的兩個器件、比如電容器等靠近以交換電力的技術(shù)，也稱為靜電感應(yīng)方式。村田制作所和竹中工務(wù)店等日本廠商在積極致力于該方式的開發(fā)。

　　②磁共振方式是強化電磁感應(yīng)方式送受電器之間的共振的技術(shù)。

　　③線路/共振器耦合方式是將光通信技術(shù)及高頻電路技術(shù)采用的行波*型傳輸路徑和共振器用于電力交換的方式。用于向移動的受電設(shè)備隨時供電等。龍谷大學(xué)等的研發(fā)小組正在推進開發(fā)。

　　*行波＝波面移動的波。用于和駐波相區(qū)別。

　　定位自由度不同

　　雖然①～③的技術(shù)在實用化及規(guī)格化方面起步較晚，不過開發(fā)各技術(shù)的廠商大多都認為，可憑借技術(shù)優(yōu)勢與Qi規(guī)格的產(chǎn)品進行抗衡。這里的優(yōu)勢是指，供電時的定位自由度比電磁感應(yīng)方式高。即如果考慮在供電底座及供電器的哪個位置放置受電器能夠高效供電，這三種方式并不只是在特定的一個位置，而是可以放置在更大范圍內(nèi)的任何位置。

　　無線供電技術(shù)存在的基本意義是，將電子產(chǎn)品利用者從原來的電源線束縛及連接連接器的煩惱中解放出來。因此，即便是無線供電，如果受電器必須精確定位在供電底座的特定位置，那么無線供電的魅力就減少了一半。在無線供電技術(shù)中，如何提高定位自由度是技術(shù)和產(chǎn)品的競爭核心。

　　是水平方向還是垂直方向

　　定位自由度的開發(fā)方向大致有兩個（圖5）。一個是，供電底座上的X-Y面、即水平方向的位置自由度。電磁感應(yīng)方式和電場耦合方式就是憑借水平方向的自由度來競爭的。尤其是符合Qi規(guī)格的電磁感應(yīng)方式，如果送受電線圈只有一對，自由度就會比其他方式低。已上市的產(chǎn)品正努力通過在安裝上下工夫來彌補這個缺點。

　　圖5：無線供電技術(shù)的兩大方向性

　　無線供電技術(shù)的開發(fā)競爭方向有以下兩個：供電底座上的受電設(shè)備的水平方向自由度（a）；供電底座垂直方向的自由度（b）。垂直方向的自由度較高的技術(shù)一般情況下受電設(shè)備的朝向自由度也較高。

　　另一個是遠離供電底座的Z方向、即垂直方向的自由度。垂直方向的自由度方面，受電器的旋轉(zhuǎn)自由度也是一個課題。因為只要離開平坦的供電底座，供電器和受電器的各線圈等就難以保持平行。垂直方向擁有高自由度的目前只有磁共振方式。不過，即使同為磁共振方式，瞄準更高自由度的開發(fā)競爭也已經(jīng)開始了。

　　例如，采用磁共振方式的美國高通（Qualcomm）公司的“WiPower”技術(shù)就強調(diào)其垂直方向的高自由度。“WiPower在Z方向擁有較高的自由度。雖然出擊較Qi規(guī)格晚，不過我認為完全能利用這一優(yōu)勢來抗衡”（高通公司無線電源解決方案高級總監(jiān)Mark Hunsicker）。

　　在不久的將來，采用磁共振方式的便攜終端和家電產(chǎn)品將大量出現(xiàn)（圖6）?，F(xiàn)在已經(jīng)推出了首批產(chǎn)品。即三星電子2011年1月上市的、采用該方式的3D電視專用眼鏡（3D眼鏡）和充電底座。高通公司的某技術(shù)人員也向本刊透露，“采用WiPower的產(chǎn)品可能會在2012年前后上市”。

　　圖6：采用磁共振方式的產(chǎn)品也將迎來熱潮

　　磁共振方式的產(chǎn)品和技術(shù)分三類。（a）是三星電子的3D眼鏡及其充電器。（b）演示了利用高通公司的WiPower技術(shù)透過厚約5cm的樹脂供電的情況。（c）是WiTricity公司的試制品。用白色筒狀供電器為手機和LED燈供電的演示。鼠標墊狀的東西是中繼線圈。

　　另外，美國WiTricity公司在不斷增加提供技術(shù)授權(quán)的企業(yè)以及技術(shù)合作企業(yè)。例如，2011年7月宣布將向臺灣知名半導(dǎo)體公司聯(lián)發(fā)科（MediaTek）授權(quán)提供磁共振技術(shù)。

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　　抗衡技術(shù)開始制定標準

 

　　除了技術(shù)優(yōu)勢外，全球還出現(xiàn)了通過推進規(guī)格化和標準化來對抗Qi規(guī)格的動向。美國家電產(chǎn)品標準化團體Consumer Electronics Association（CEA）的R6.3委員會針對電磁感應(yīng)方式和磁共振方式兩種方式成立了工作組（WG），開始制定標準化。順便一提，負責(zé)磁共振方式標準化的WG4組長由高通公司的技術(shù)人員擔(dān)任。

　　韓國的標準化團體TTA*打算基本上直接沿用CEA的無線供電技術(shù)規(guī)格。德國方面，推進汽車電子控制單元（ECU）與便攜終端間接口標準化的業(yè)界團體“Consumer Electronics for Automotive（CE4A）”正面向車載用途制定無線供電標準注4）。

　　*TTA（Telecommunications Technology Association）＝韓國的通信技術(shù)標準化機構(gòu)。相當(dāng)于日本無線工業(yè)及商貿(mào)聯(lián)合會（ARIB）。

　　注4） CE4A是德國奧迪、寶馬、戴姆勒和大眾四家公司于2006年成立的團體。后來，梅賽德斯奔馳、保時捷、法國標志雪鐵龍、美國福特汽車也加盟了該團體。日本的汽車電子業(yè)界團體JASPAR也以合作的形式參與其中。與WPC的Automotive Application Group（AAG）相互交換信息。

 

　　日本將磁共振方式的實用化時間較原來的“2020年”提前

 

　　在出擊磁共振方式較晚的日本，YRP相關(guān)團體寬帶無線論壇（BWF）與日本總務(wù)省合作，開始針對輸出功率為50W以上的無線供電產(chǎn)品討論技術(shù)標準和安全標準。“2012年底之前將發(fā)布在特定使用場景下支持磁共振方式的‘指南2.0 ’”（BWF無線電力傳輸WG組長、東芝研發(fā)中心無線系統(tǒng)研究室研究主任莊木裕樹）。

　　2009年，日本總務(wù)省宣布磁共振方式在日本實用化的時間為“2020年前后”，而2010年將這個時間提前到了“2015年前后”。從此次的指南制定時間來看，還有望在更早的時間實現(xiàn)實用化。因為“考慮到海外廠商以及標準化動向的速度，已經(jīng)不能再悠然自得了”（BWF的某位委員）。 　　

　 

　　汽車無線供電的主流或是磁共振方式

 

　　當(dāng)然，無線供電技術(shù)的對象不僅僅是便攜終端和家電產(chǎn)品。輸出功率高達數(shù)百W～數(shù)kW的汽車及產(chǎn)業(yè)設(shè)備等的供電方面，旨在實現(xiàn)實用化和標準化的舉措也越來越多（圖7）。這個領(lǐng)域目前還沒有像便攜終端用Qi規(guī)格那樣的行業(yè)標準規(guī)格注5）。電磁感應(yīng)方式和磁共振方式圍繞事實標準展開了競爭，不過目前后者略處于優(yōu)勢。

 

　　

　　圖7：汽車隨無線供電發(fā)生變化

　　無線供電技術(shù)以及安裝了該技術(shù)的EV。（a）是接近電磁感應(yīng)方式的技術(shù)，（b～d）安裝了磁共振方式無線供電技術(shù)。

 

　　注5）WPC還計劃制定kW級輸出功率的規(guī)格，不過“供電對象不是汽車，而是廚房里的攪拌機等”（WPC的某相關(guān)人士）。

 

　　2015年支持EV將亮相

 

　　三菱汽車2011年9月宣布將與IHI一起就磁共振方式與WiTricity進行共同研究。“對EV來說，無線供電是備受期待的技術(shù)。如果能順利普及，其影響會非常大，汽車的世界將因此發(fā)生改變”（三菱汽車EV業(yè)務(wù)本部EV國內(nèi)推進部高級專家和田憲一郎）。

　　三菱汽車關(guān)注磁共振方式的主要原因是，該方式的定位自由度高。“如果在供電底座上停車，不可能要求所有駕駛員都擁有在水平方向上位置偏差為1m以下的停車技術(shù) 注6）。如果采用WiTricity公司的技術(shù)，即使錯位1～2m也可以利用”（和田）。有沒有這么大的容許度會使EV每天的利用體驗產(chǎn)生巨大差異（圖8）。

 

　　

　　圖8：無線供電技術(shù)將影響EV的未來

 

　　利用充電線纜對EV用戶而言易用性較低。如果停車時等的位置偏移容許度較高的無線供電技術(shù)得到普及，不僅是EV易用性，還能為EV的魅力加分，比如EV的低價格化、蓄電池的小型化以及行駛距離的延長等。

　　注6）開發(fā)電磁感應(yīng)方式EV充電技術(shù)的日產(chǎn)汽車2011年10月公開的數(shù)據(jù)顯示，該公司的“受電器和供電器的距離在垂直方向為10～15cm以內(nèi)，水平方向的位置偏差容許度在10cm以內(nèi)”。不過，該公司好像正考慮使汽車入庫等停車操作實現(xiàn)自動化。

　　關(guān)于這一點，三菱汽車的選擇理由與選擇WiTricity公司作為技術(shù)合作對象的豐田是一致的 注7）。“在2007年和2009年實施的PHEV款‘普銳斯’用戶問卷調(diào)查中，很多用戶都抱怨每天的充電作業(yè)太費勁”（豐田第2技術(shù)開發(fā)本部BR-EV系統(tǒng)開發(fā)室充電系統(tǒng)開發(fā)部主任小松雅行）。該公司預(yù)見到PHEV和EV會普及，于2000年中期開始研究無線供電技術(shù)，根據(jù)該問卷調(diào)查的結(jié)果加快了研究速度。最終將目光放到了磁共振方式上。

　　注7）豐田2011年4月宣布將與WiTricity公司就磁共振技術(shù)展開技術(shù)合作，另外還計劃向該公司出資。不過沒有公布出資額等。

　　關(guān)于實用化時間的預(yù)測，豐田認為“在不久的將來。10年后就太晚了”。三菱汽車的預(yù)測更加具體，“我們的第3代i-MiEV上就會配備無線供電技術(shù)。計劃2012年春季前后上市支持V2H*的第2代i-MiEV，第3代要等相關(guān)法律完善后再推出，目標是2015年前后上市”（該公司的和田）。與WiTricity公司共同推進的研究方面，“送受電器的基本技術(shù)、包括3.3kW的輸出功率在內(nèi)已經(jīng)基本開發(fā)完成，今后將實際配備到汽車上，調(diào)查對汽車及其周圍的影響”（和田）。

　　*V2H（vehicle to home）＝在PHEV/EV與住宅之間交換蓄電池存儲的電力，從而有效利用能源的概念。

 

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　　十字路口紅燈時供電、在高速公路上供電

 

　　定位自由度較高的磁共振方式不僅在停車時充電，現(xiàn)在已經(jīng)開始探討包括公路等社會基礎(chǔ)設(shè)施的巨大變革在內(nèi)的應(yīng)用（圖9）。

 

　　

　　圖9：道路和線路都將改變

　　各廠商和研究機構(gòu)安裝及實演的EV道路未來景象。（a）是在部分道路上行駛供電的示例。（b）是在整個道路上行駛供電的例子。汽車無需配備蓄電池。（c）是在道路上鋪設(shè)電場耦合方式供電用軌道進行供電的情景。（d）是安裝了電場耦合方式的迷你汽車。（e）是國土交通省和JR東海等開發(fā)的磁懸浮列車無線供電技術(shù)示例。

 

　　比如，為十字路口紅燈時停車的汽車和行駛在高速公路上的汽車供電。“如果采用即使送受電器方向不一致也能供電的磁共振方式，就可以利用十字路口路旁縱向設(shè)置的供電器向汽車下面設(shè)置的受電器供電。在道路中埋入供電器的施工費用非常龐大，但如果只設(shè)置在路旁即可，就能大幅削減施工費”（三菱汽車的和田）。

　　開始探討為行駛在高速公路上的汽車進行“行駛供電”的，是日本國土交通省旗下的國土技術(shù)政策綜合研究所等。例如在高速公路的中央分離帶設(shè)置供電器，為在此處行駛的汽車供電。

 

　　全球推進標準化

 

　　如上所述，不但Qi規(guī)格在以破竹之勢普及擴大，無線供電技術(shù)整體都在面向?qū)嵱没归_了大規(guī)模行動。

　　不過無線供電仍然存在很多課題。除了關(guān)于定位自由度方面的課題外，還包括規(guī)格的標準化、專用頻率的確保、是否對電子產(chǎn)品有EMI（電磁干擾）等，另外還必須討論可能會受到強電場輻射的人體安全性等問題。

　　最近一年間，不僅是面向便攜終端，面向汽車和產(chǎn)業(yè)設(shè)備的無線供電也在全球范圍內(nèi)推進標準化（圖10）。在這一形勢下，便攜終端、家電產(chǎn)品、家具和住宅、汽車和道路都將隨之發(fā)生變化。（記者：野澤 哲生、久米 秀尚，《日經(jīng)電子》）

 

　　

　　圖10：從家電到汽車，均建立了無線供電技術(shù)的標準化體制

　　無線供電技術(shù)的國際標準化團體及各自間的關(guān)系。

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來源：[db:出處]

作者：tee