无线充电Qi超速启动,凭借技术优势挑战

2012-01-05 13:08:58来源: 技术在线
    目的在于从电子产品上去掉电源线的无线供电技术已经开始全面实用化。在规格之争中领先一步的是面向便携终端的“Qi”规格。街道中已开始建立无线充电环境。汽车无线供电方面,磁共振方式为最有力候补。道路等社会基础设施可能会因此而改变。

  “2011年度内将销售100万部配备无线供电功能的手机”(NTT DoCoMo产品部第二商品策划负责人南部洋平)。

  无线供电正如其名称一样,是无线供给电力的技术。在无线通信广泛普及的情况下,无线供电因能够去掉束缚电子产品的最后一条线即电源线而备受关注。虽然正式开始技术开发只有数年的时间,但不仅是终端,连街上的咖啡厅、住宅和办公室里的家具、电影院、酒店以及百货商店等基础设施都将发生变化(图1)。

图1:开始向基础设施渗透
无线供电功能普及的关键在于导入基础设施中。进入2011年后,办公室、汽车内、咖啡厅以及机场休息室等很多场所都开始建立能利用无线供电的环境。

  NTT DoCoMo宣布的内容更是让其他公司的无线供电开发人员感到吃惊。因为,NTT DoCoMo不仅发售终端的数量多,考虑到社会基础设施变化而制定的普及战略也非常明确。

  另外,DoCoMo的发表还表明,在无线供电竞争技术多种方式不断出现的情况下,迅速实现了规格化的技术成功从混战中脱颖而出。这就是被称为“Qi”的、采用电磁感应*技术的行业规格。该规格逐步将未能实现规格化的“其他众多”技术甩下。

*电磁感应=贯穿线圈的磁场强度发生变化时,该线圈产生电动势的现象。

随着Qi规格的亮相开始实用化

  Qi规格由名为“WPC(无线充电联盟)”的行业团体制定。WPC以制作无线供电的事实标准(De Facto Standard)为目的,成立于2008年12月 注1)。符合该团体制定规格的产品都带有Qi标识。带有Qi标识的产品可确保兼容性,即使是在不同厂商的产品也可相互充电(图2)。

图2:带Qi标识的产品之间能确保兼容性
WPC为符合规格的产品附带Qi标识。只要是符合Qi规格的产品,不同厂商的产品也可相互充电。

注1)WPC于2010年7月面向输出功率为5W以下的产品制定了最初的标准规格。8月份启动了旨在进行标志认证的一致性测试项目,完善了上市支持产品的环境。Qi取自于汉字“气”的发音。

  NTT DoCoMo迅速采用了该规格。该公司于2011年8月全球率先上市了配备Qi规格无线供电功能的智能手机“AQUOS PHONE f SH-13C”。并为无线供电功能命名为“放置充电”。在2011~2012年的冬春款机型中将支持产品增至5款,如果销售顺利,2012年3月底全球将有100万部支持Qi规格的手机在使用。

充电基础设施的建设最重要

  在手机中采用无线供电功能时,NTT DoCoMo重视的是作为社会基础设施的充电环境。配备无线供电功能的便携终端与充电环境的建立是“先有鸡还是先有蛋”的关系。“如果在支持机型面世的阶段充电环境还没有建立起来,就会被认为是无法使用的功能,从而被忽视”(NTT DoCoMo的南部)。所以该公司重视的不是特定厂商的自主技术,而是行业标准规格。

  NTT DoCoMo计划加速建立充电环境。如果充电环境得到完善,就会有更多的消费者被放置充电的便利性所吸引,从而推动普及。“目前在约60个地方设置了约500台支持Qi规格的供电底座。计划2011年内增加一倍”(南部)。供电底座的设置位置包括全日空(ANA)的机场休息室和PRONTO Corporation的咖啡厅及酒吧等 注2)。另外,NTT DoCoMo还在与日本麦当劳、罗森、高岛屋以及三越等知名企业合作 注3)。

注2)可在ANA的羽田、成田、新千岁、关西和福冈5个机场的国内线休息室内利用“放置充电”。利用时间截至2012年3月31日。

注3)NTT DoCoMo于2011年9月宣布在ANA、东宝影院、PRONTO Corporation、EARTH Holdings以及GLOBAL SPORTS医学研究所(按摩院)五家公司的店铺内设置。之后又扩大至伊予铁高岛屋、岩田屋三越、佐世保玉屋、札幌丸井三越、JTB、高岛屋、名古屋三越、日本麦当劳、三越伊势丹、皇家花园酒店与度假酒店以及罗森的部分店铺。

家具及汽车行业也开始关注

  对于采用其他无线供电技术的厂商来说,Qi规格在社会基础设施中的渗透是一大威胁。原因是,一旦该规格得到普及并安装到基础设施中,再想用其他的对抗技术来颠覆之会变得非常困难。现在Qi规格已经超出了手机及手机充电底座的范围,正在逐渐扩大到其他行业。例如,日本最大的办公家具厂商冈村制作所开发出了配备Qi规格无线供电功能的桌子。预计最早将于2012年上市。

  另外,除办公室和咖啡厅外,在汽车和电车等的行驶过程中为智能手机等便携终端充电的环境也在逐渐建立。“最近来自汽车行业的咨询非常多”(从事Qi规格无线供电技术的MCM日本董事工藤雅道)。

Qi规格将席卷全世界

  Qi规格的兴起不仅仅是在日本国内(图3)。加盟WPC的企业截至2011年10月已经超过100家。虽然其中也有日本企业,但大多数是海外企业(表1)。具有代表性的是美国大型手机运营商韦里孙无线(Verizon Wireless)。加盟WPC的该公司已经发布了7款以上支持Qi规格无线供电功能的智能手机。

图3:加盟WPC的企业达100家
2008年12月设立的WPC的加盟企业截至2011年10月已经达到100家。2011年11月以后的加盟企业数为推测值。

  WPC加盟企业还以手机厂商为中心大幅扩大了行业的跨度。例如,家电厂商中已有中国的海尔集团(Haier Electronics Group)、韩国的LG电子以及三星电子等公司加盟。日本的电装等汽车关联企业以及知名半导体厂商和部件厂商也已经加盟,目前正探讨将Qi规格用于多种产品。

  新一代Qi规格正在探讨将目前为5W以下的输出功率限制最大扩大到120W。“计划分阶段实现,首先将面向个人电脑等实现30~35W的输出功率”(WPC相关人士)。如果能提高输出功率,可利用无线供电技术的产品将大幅增加。

抗衡技术也在打算卷土重来

  如上所述,Qi规格成功实现了在短时间内普及扩大的超速启动(Rocket Start)。不过,无线供电技术并不能断言“肯定是采用电磁感应方式的Qi规格”。Qi要在所有便携终端上普及,并建设社会基础设施还需要相当长的时间。原因是,有大量技术群欲通过事实上的竞争和规格化竞争卷土重来(图4)。

图4:除电磁感应方式以外还有很多其他无线供电技术
Qi规格使用的电磁感应方式以外的无线供电技术安装示例。(a)的特点是,对供电底座的位置偏移容许度比电磁感应方式高。(b)方式可实现充电底座的立体设计。(c)的线圈间距离和朝向自由度较高。(d)的线路方向的位置自由度较高。

  Qi规格的对抗技术可分为以下3种:①电场耦合方式、②磁共振方式、③线路/共振器耦合方式。

  ①电场耦合方式是使静电容量较大的两个器件、比如电容器等靠近以交换电力的技术,也称为静电感应方式。村田制作所和竹中工务店等日本厂商在积极致力于该方式的开发。

  ②磁共振方式是强化电磁感应方式送受电器之间的共振的技术。

  ③线路/共振器耦合方式是将光通信技术及高频电路技术采用的行波*型传输路径和共振器用于电力交换的方式。用于向移动的受电设备随时供电等。龙谷大学等的研发小组正在推进开发。

*行波=波面移动的波。用于和驻波相区别。

定位自由度不同

  虽然①~③的技术在实用化及规格化方面起步较晚,不过开发各技术的厂商大多都认为,可凭借技术优势与Qi规格的产品进行抗衡。这里的优势是指,供电时的定位自由度比电磁感应方式高。即如果考虑在供电底座及供电器的哪个位置放置受电器能够高效供电,这三种方式并不只是在特定的一个位置,而是可以放置在更大范围内的任何位置。

  无线供电技术存在的基本意义是,将电子产品利用者从原来的电源线束缚及连接连接器的烦恼中解放出来。因此,即便是无线供电,如果受电器必须精确定位在供电底座的特定位置,那么无线供电的魅力就减少了一半。在无线供电技术中,如何提高定位自由度是技术和产品的竞争核心。

是水平方向还是垂直方向

  定位自由度的开发方向大致有两个(图5)。一个是,供电底座上的X-Y面、即水平方向的位置自由度。电磁感应方式和电场耦合方式就是凭借水平方向的自由度来竞争的。尤其是符合Qi规格的电磁感应方式,如果送受电线圈只有一对,自由度就会比其他方式低。已上市的产品正努力通过在安装上下工夫来弥补这个缺点。

图5:无线供电技术的两大方向性
无线供电技术的开发竞争方向有以下两个:供电底座上的受电设备的水平方向自由度(a);供电底座垂直方向的自由度(b)。垂直方向的自由度较高的技术一般情况下受电设备的朝向自由度也较高。

  另一个是远离供电底座的Z方向、即垂直方向的自由度。垂直方向的自由度方面,受电器的旋转自由度也是一个课题。因为只要离开平坦的供电底座,供电器和受电器的各线圈等就难以保持平行。垂直方向拥有高自由度的目前只有磁共振方式。不过,即使同为磁共振方式,瞄准更高自由度的开发竞争也已经开始了。

  例如,采用磁共振方式的美国高通(Qualcomm)公司的“WiPower”技术就强调其垂直方向的高自由度。“WiPower在Z方向拥有较高的自由度。虽然出击较Qi规格晚,不过我认为完全能利用这一优势来抗衡”(高通公司无线电源解决方案高级总监Mark Hunsicker)。

  在不久的将来,采用磁共振方式的便携终端和家电产品将大量出现(图6)。现在已经推出了首批产品。即三星电子2011年1月上市的、采用该方式的3D电视专用眼镜(3D眼镜)和充电底座。高通公司的某技术人员也向本刊透露,“采用WiPower的产品可能会在2012年前后上市”。

图6:采用磁共振方式的产品也将迎来热潮
磁共振方式的产品和技术分三类。(a)是三星电子的3D眼镜及其充电器。(b)演示了利用高通公司的WiPower技术透过厚约5cm的树脂供电的情况。(c)是WiTricity公司的试制品。用白色筒状供电器为手机和LED灯供电的演示。鼠标垫状的东西是中继线圈。

  另外,美国WiTricity公司在不断增加提供技术授权的企业以及技术合作企业。例如,2011年7月宣布将向台湾知名半导体公司联发科(MediaTek)授权提供磁共振技术。

抗衡技术开始制定标准

  除了技术优势外,全球还出现了通过推进规格化和标准化来对抗Qi规格的动向。美国家电产品标准化团体Consumer Electronics Association(CEA)的R6.3委员会针对电磁感应方式和磁共振方式两种方式成立了工作组(WG),开始制定标准化。顺便一提,负责磁共振方式标准化的WG4组长由高通公司的技术人员担任。

  韩国的标准化团体TTA*打算基本上直接沿用CEA的无线供电技术规格。德国方面,推进汽车电子控制单元(ECU)与便携终端间接口标准化的业界团体“Consumer Electronics for Automotive(CE4A)”正面向车载用途制定无线供电标准注4)。

*TTA(Telecommunications Technology Association)=韩国的通信技术标准化机构。相当于日本无线工业及商贸联合会(ARIB)。

注4) CE4A是德国奥迪、宝马、戴姆勒和大众四家公司于2006年成立的团体。后来,梅赛德斯奔驰、保时捷、法国标志雪铁龙、美国福特汽车也加盟了该团体。日本的汽车电子业界团体JASPAR也以合作的形式参与其中。与WPC的Automotive Application Group(AAG)相互交换信息。

日本将磁共振方式的实用化时间较原来的“2020年”提前

  在出击磁共振方式较晚的日本,YRP相关团体宽带无线论坛(BWF)与日本总务省合作,开始针对输出功率为50W以上的无线供电产品讨论技术标准和安全标准。“2012年底之前将发布在特定使用场景下支持磁共振方式的‘指南2.0 ’”(BWF无线电力传输WG组长、东芝研发中心无线系统研究室研究主任庄木裕树)。

  2009年,日本总务省宣布磁共振方式在日本实用化的时间为“2020年前后”,而2010年将这个时间提前到了“2015年前后”。从此次的指南制定时间来看,还有望在更早的时间实现实用化。因为“考虑到海外厂商以及标准化动向的速度,已经不能再悠然自得了”(BWF的某位委员)。 (未完待续  记者:野泽 哲生、久米 秀尚,《日经电子》)

图10:从家电到汽车,均建立了无线供电技术的标准化体制
无线供电技术的国际标准化团体及各自间的关系。

关键字:无线充电

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2012/0105/article_9413.html
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