无线供电即将扬帆起航

　　扩大无线供电技术应用范围的举措正在不断增加。此前，日本的无线供电仅限于电动牙刷及无绳电话等有限用途。随着2011年夏季支持无线供电的智能手机在日本亮相，这种状况将大幅改观。数年后，无线供电还有望应用于电动汽车，存在着形成巨大市场的可能性。为实现无线供电的普及，终端和社会基础设施的两方面都已开始活跃起来。

　　进入2011年后，为实现手机和智能手机的非接触充电，日本等相继发布了配备无线供电*功能的产品。

*无线供电＝不使用电源线的无线传输电力技术。由于无需布线和充电端子，产品更易实现防水及防尘性能，可降低故障风险。

　　“终于实现了”……

　　NTT DoCoMo在定于2011年7～8月开始销售的夏普智能手机“AQUOS PHONE f SH-13C”中嵌入了无线供电功能。负责SH-13C商品策划的泷本真（NTT DoCoMo产品部第二商品企划担当）这样表述自己的真实感想。NTT DoCoMo从2003年前后一直在研发如何在手机中配备无线供电功能 注1）。

注1）NTT DoCoMo于2005年与松下移动通信共同开发出了试制品，“已经到了投产阶段”（NTT DoCoMo）。但当时判断凭借自行规格难以普及，因此放弃了投产念头。

　　美国最大型手机运营商韦里孙无线（Verizon Wireless）宣布，“将使一半的手机拥有无线供电功能”。该公司已经开始与台湾HTC和韩国LG电子等大型手机厂商合作推进智能手机的开发。

　　美国调查公司IHS iSuppli预测，无线供电装置的市场规模在2010年为1亿2390万美元，但2011年将激增至7倍以上的8亿8580万美元（图1）。之后也会顺利增长，预计“2015年将产生237亿美元规模的巨大市场”（IHS iSuppli）。

图1：2015年将实现约240亿美元的市场规模 随着2011年配备无线供电功能的智能手机面世，市场迅速成长。应用领域也有望从便携终端扩大至EV。市场规模的数据由IHS iSuppli提供。

　　推动无线供电装置市场增长的主要动力还是智能手机。NTT DoCoMo发表了积极推进无线供电的方针，“2013年将使上市的一半机型支持无线供电。到2014年，日本国内支持无线供电的终端累计将达到1600万部”（NTT DoCoMo产品部第二商品企划担当部长兼产品业务推进担当部长山口文久）。该公司还计划在2011年冬季款机型中投放多款支持无线供电的产品。

　　已在智能手机中得到应用的无线供电功能今后将逐渐用于数码相机、平板终端以及电视等输出功率较高的产品。业界人士一致认为“能够真正扩大市场的应用”——电动汽车（EV）充电用途的开发也正日益活跃，并有望在不久的将来投入使用。长年以来一直作为概念提倡的“电源无线化”即将成为现实。

制定安全指南

无线供电功能终于要走入现实社会了。要想普及扩大配备该功能的产品，强化安全至关重要。以前曾因笔记本电脑在充电时发生起火冒烟的事故，导致锂离子充电电池也被贴上了“危险物品”的标签，这件事至今仍令人记忆犹新。

　　为了吸取以往的教训、将事故防患于未然，业界全面启动了应对措施。2011年6月，日本宽带无线论坛*宣布制定出了“无线电力传输技术利用指南Ver1.0”。该标准面向输出功率在50W以下的产品，自主制定了利用无线供电时的安全规定。

*宽带无线论坛＝以采用新无线通信技术的系统和服务的早期实用化和国际业务为目的于2009年7月成立的团体。

　　此外，EV方面，日本的政府层面也开始行动起来。日本国土交通省宣布，“将于2012年针对配备无线供电功能的车辆制定技术标准”（国土交通省汽车交通局技术安全部环境课地球变暖对策室佐藤直己）。

存在多种方式

　　目前推进研发的无线供电方式因利用的原理不同可分为几类（表1）。除了NTT DoCoMo的智能手机决定采用的“电磁感应方式”外，还包括“磁共振方式”、“电场耦合方式”以及“电波接收方式”等。电磁感应方式历史悠久，是发明家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）于20世纪初发明的技术，已经用于电动牙刷和无绳电话等。

　　磁共振方式自2006年被美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）的Marin Soljacic等组成的研究小组发布后，瞬间便受到了关注。该技术的特点是，可利用磁场的共振，无线向数十cm～数m远的位置传输电力。

　　电场耦合方式虽然传输距离较短，但具备即使水平方向的供电底座和受电底座位置偏移，效率也不容易降低的特点。村田制作所开发出了电场耦合方式的非接触充电模块（10W产品），已于2011年7月开始量产。

WPC制定业界标准

在实用化方面业绩出色的是电磁感应方式。有关要素技术开发的历史悠久，甚至被称为“枯竭的技术”。目前该技术已进入了市场开拓阶段。其中，倍受关注的是制定非接触充电业界标准规格的团体Wireless Power Consortium（WPC）制定的“Qi”规格。该团体自2008年12月成立以来，加盟企业不断增加，2010年7月面向输出功率为5W以下的产品制定出了首个标准（图2）。

图2：WPC的加盟企业为87家 2008年12月设立的WPC截至2011年6月下旬加盟企业已经增至87家。2010年7月面向5W以下产品的Qi规格制定完毕后，决定加盟的企业增多。

　　只要是获得Qi规格认证的产品，即使厂商不同也可作为非接触充电系统利用 注2）。“这些技术如果不符合业界标准，就不会得到手机运营商和汽车厂商的采用”（飞利浦电子日本知识产权系统标准本部、系统标准部部长黑田直祐），因此在无线供电装置中，兼容性极其重要。实际上，NTT DoCoMo曾在产品发布会上表示，“由于有望成为事实上的标准，因此决定投产”。

注2）2011年5月发生了一件能够反映WPC势力大增的象征性事件。一直提议独自方式的以色列Powermat公司开始支持WPC方式。该公司自2009年底上市产品以来，已经销售了数百万台自主方式的产品，“占90％以上的市场份额”（该公司）。今后将开展WPC方式和自主方式两种方式。

　　“NTT DoCoMo发表推进WPC方式的方针后，我们便可放心开发了”……。产品厂商和部件厂商异口同声地表达了心中的想法。NTT DoCoMo发布SH-13C后，支持Qi规格的产品相继亮相（图3）。例如，星电开发出了采用美国Fulton Innovation公司（以下称Fulton）技术的供电装置，定于2011年7月开始量产，将以OEM供货的方式投放市场。星电自信地表示，“计划在2011年底实现月产50万～100万台的规模”。TDK和东光已经开始量产符合Qi规格的供电底座和受电装置使用的线圈。

图3：产品和部件也陆续亮相 星电开发出了采用Fulton公司技术的便携终端供电底座（a）。TDK投产了符合Qi规格的供电线圈（右）和受电线圈（左）（b）。

　　在符合Qi规格的非接触充电接收器IC中，已经有封装面积仅1.9mm×3.0mm的小型产品面世。这就是美国德州仪器（TI）上市的“bq51013”。该产品在IC中集成各种功能的同时，将封装面积较该公司原产品削减了80％。

限定供电侧确保兼容性

Qi规格为确保兼容性，将供电底座的 实现方法限定为若干种（表2）。三洋电机开发出了采用步进电机驱动供电线圈的方法。由于供电线圈和受电线圈的位置能完全吻合，因此效率高达“90％左右”（NTT DoCoMo）。

　　中国Convenient Power公司开发出了通过在阵列上排列数十个线圈实现供电底座的多线圈方式，并计划2011年底投产采用印刷技术在印刷电路基板上实现的线圈。该公司的技术采用8层基板，存在难以大幅降低成本的问题。不过，如果进行量产，完全有可能通过印刷技术降低成本。

　　Qi规格供电底座的另一个实现方法是Fulton开发的在供电线圈中心配置磁铁的方式。特点是系统构成简单，容易以低成本制造。不过，在性能方面，有很多专家指出其存在问题，例如该技术中的磁铁“会对手机的地磁传感器造成影响”等注3）。

注3）尽管Fulton否认了这种看法，但表示“正在开发不使用磁铁、可实现‘位置自由’的新方式”。此外，以Hanrim Postech为首的多家企业提出了新方式，目前正考虑加入Qi规格。

在电池组中内置线圈

在Qi规格的规定中，供电底座的设计自由度较高。 实现标准化的技术中令人深感兴趣的，是SH-13C采用的在充电电池中内置线圈的方式。该技术由三洋电机开发。

　　不过，在已有机型上安装内置线圈的充电电池是无法实现“无线供电”的。主要因为存在两大课题。一是手机侧的充电灯不亮，二是无法准确掌握电池剩余电量。

　　普通手机采用充电时从充电端子经由机身的微处理器与电池通信的设计。而此次内置线圈的产品只通过电池单体即可充电。因此，为了将电池的充电状态逐一传递至手机处理器，设置了通常的电池组不具备的专用端子（图4）。

图4：线圈内置型电池组的端子为专用品 具有无线供电功能的智能手机“AQUOS PHONE f SH-13C”（夏普制造）配备了三洋电机的线圈内置型电池组。电池组和终端的接点比一般的智能手机要多。

关键在于配备充电的社会环境

　　看似在顺利推进的WPC也存在课题。首先，WPC的Qi只是充电规格。因此，不具备通话和通信相关的条件。另外，手机中有5～6根天线，Qi规格线圈产生的磁场等很有可能引起干扰。实际上，“我们向开发商夏普提出了令其相当为难的条件，最终才实现了无干扰”（NTT DoCoMo）。

　　另外，推进WPC的厂商还在致力于如何将无线供电的便利性传递给用户。

　　普及的关键在于导入充电的社会基础设施。NTT DoCoMo为无线供电功能命名为“放置充电”，计划建立一个除家庭外，还能在餐饮店、电影院以及机场等生活中的很多场所充电的环境。虽然建设基础设施需要时间，但目前看来形势还不错，“来自家具厂商和餐饮店的咨询非常多”（开发嵌入式供电模块的厂商负责人）。

　　最近，还有厂商考虑在无线供电中组合使用近距离无线通信技术“NFC（Near Field Communication）”。由此可构筑一个让用户和企业双赢的机制，例如边充电边将店铺优惠券信息发动到智能手机上等。Fulton和Powermat等公司“为加入WPC规格已经开始行动”。

无线供电即将扬帆起航（下）：磁共振方式瞄准汽车用途

丰田宣布开发出磁共振方式无线供电系统

　　在市场开拓方面，电磁感应方式处于领先地位，而在技术开发方面比较活跃的则是磁共振方式（图5）。“磁共振方式的优点是可供电的范围广”（RyuTech代表董事粟井郁雄）。除了可向一定距离的产品供电外，还能轻松应对送受电线圈的位置偏移现象。丰田2011年4月宣布，开发出了采用该方式的EV无线供电系统。

图5：研发时间只有5年 本图整理了磁共振方式的开发动向。自2006年12月MIT发表理论并一举受到关注后，日本国内外的企业也从2009年中期前后开始发布成果。最近，丰田与WiTricity公司合作是一大新闻。

　　丰田选择的开发合作伙伴是美国WiTricity。WiTricity是由发明磁共振方式的MIT研究人员于2006年创建的风险公司。除丰田外，WiTricity还与美国德尔福（Delphi）和IHI等公司有合作，存在感非常强。

　　计划开发EV充电基础设施的IHI表示，“我们认为与WiTricity合作是开发产品的捷径。希望在2～3年内实现量产”（IHI技术开发本部统合开发中心、电机系统开发部部长新妻素直），该公司打算向汽车厂商销售产品。

　　WiTricity拥有175个相关专利，开发磁共振方式的企业对此必须要注意。索尼称“我们在特别留意这些专利”（索尼核心元件开发本部、高频传输及影像系统开发部门RF及信号处理开发部统括部长藤卷健一）。

　　索尼并没有公布应用，不过表示“希望能尽量先于其他公司在早期阶段上市产品”（藤卷），估计该公司正以数年内实现实用化为目标推进开发。

并非“全新技术”

众多企业纷纷开始发力的磁共振方式研究开发目前已经到了“动作的基础验证基本结束，设计理论也在逐渐完善的阶段”（RyuTech的粟井）。

　　在研发过程中，最近研究等效电路时发现，2006年MIT发布时认为是“全新技术”的磁共振方式，其实在原理上与电磁感应方式相同（图6）。

图6：原理相同 磁共振方式和电磁感应方式可用一条曲线表示。根据使用的k（结合系数）和Q值的大小来区分二者。（图由本站根据东芝的资料制作）

　　似乎是为了证明这一点，开发电磁感应方式的Fulton和Powermat等公司相继宣布开发出了磁共振方式。Fulton表示，“当然，将作为WPC规格追加” 注4）。

注4）Fulton公开了在开发的磁共振方式供电底座上运行TI公司Qi规格开发套件的演示视频。

克服三项课题，实现实用化

　　磁共振方式无线供电技术的研究开发在稳步推进。但要想投产还存在课题。主要有以下3方面：技术开发、制度、以及商品策划（图7）。

图7：实现实用化存在的三项课题 磁共振方式要想实现实用化，需要解决技术开发、制度和商品策划三项课题。图由本站根据对开发人员的采访内容制作。

　　技术开发方面，系统控制技术的重要性将进一步提高。具体而言，在一级线圈和二级线圈之间混入金属等异物时进行检测，如果有必要的话要停止供电。目前，虽然天线技术人员对磁共振方式的研究开发表现积极，不过与控制领域的技术人员合作开发似乎才是实现产品化的关键。

制度方面，磁共振方式的标准化讨论也日益活跃。很多团体为制定标准规格已经开始采取行动，业界人士透露的最新情况是：“由于大约2个月前德国大型汽车厂商突然提出方案，汽车行业一下子变得忙碌起来”。

　　最后的商品策划尤其重要。与电磁感应方式一样，必须提供“无线化＋α”注5）。例如，计划最大限度利用磁共振方式的特点——高位置自由度，实现“在房间中的任何位置均可供电”的研究人员不在少数。此时，异物检测技术则是最不能缺少的。

注5）大林组正考虑在核废料储存仓库内的环境传感器供电中采用磁共振方式。由于工作人员不便进入仓库内，因此要求使用无需更换电池的技术。目前采用有线供电，不过为了防止从布线部分泄漏放射性物质，需要采取严密的对策。

　　除此之外，还有观点提出了将无线供电用于汽车的自动停车。“目前正在研究利用一级线圈和二级线圈的磁场强度变化来推测位置，以实现自动停车的系统”（东京大学研究生院新领域创成科学研究科尖端能源工学专业助教居村岳广）。一级线圈和二级线圈的位置也能准确吻合，因此还有助于提高效率。