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無線充電Qi超速啟動,憑藉技術優勢挑戰

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 目的在於從電子產品上去掉電源線的無線供電技術已經開始全面實用化。在規格之爭中領先一步的是面向便攜終端的「Qi」規格。街道中已開始建立無線充電環境。汽車無線供電方面,磁共振方式為最有力候補。道路等社會基礎設施可能會因此而改變。

「2011年度內將銷售100萬部配備無線供電功能的手機」(NTT DoCoMo產品部第二商品策劃負責人南部洋平)。

無線供電正如其名稱一樣,是無線供給電力的技術。在無線通信廣泛普及的情況下,無線供電因能夠去掉束縛電子產品的最後一條線即電源線而備受關注。雖然正 式開始技術開發只有數年的時間,但不僅是終端,連街上的咖啡廳、住宅和辦公室裡的家具、電影院、酒店以及百貨商店等基礎設施都將發生變化(圖1)。
无线充电Qi超速启动,凭借技术优势挑战 - slamnow - 潜水员文摘
圖1:開始向基礎設施滲透
無線供電功能普及的關鍵在於導入基礎設施中。進入2011年後,辦公室、汽車內、咖啡廳以及機場休息室等很多場所都開始建立能利用無線供電的環境。

NTT DoCoMo宣佈的內容更是讓其他公司的無線供電開發人員感到吃驚。因為,NTT DoCoMo不僅發售終端的數量多,考慮到社會基礎設施變化而制定的普及戰略也非常明確。

另外,DoCoMo的發表還表明,在無線供電競爭技術多種方式不斷出現的情況下,迅速實現了規格化的技術成功從混戰中脫穎而出。這就是被稱為「Qi」的、採用電磁感應*技術的行業規格。該規格逐步將未能實現規格化的「其他眾多」技術甩下。

*電磁感應=貫穿線圈的磁場強度發生變化時,該線圈產生電動勢的現象。

隨著Qi規格的亮相開始實用化 

Qi規格由名為「WPC(無線充電聯盟)」的行業團體制定。WPC以製作無線供電的事實標準(De Facto Standard)為目的,成立於2008年12月 注1)。符合該團體制定規格的產品都帶有Qi標識。帶有Qi標識的產品可確保兼容性,即使是在不同廠商的產品也可相互充電(圖2)。
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圖2:帶Qi標識的產品之間能確保兼容性
WPC為符合規格的產品附帶Qi標識。只要是符合Qi規格的產品,不同廠商的產品也可相互充電。

注1)WPC於2010年7月面向輸出功率為5W以下的產品制定了最初的標準規格。8
月份啟動了旨在進行標誌認證的一致性測試項目,完善了上市支持產品的環境。Qi取自於漢字「氣」的發音。

  NTT DoCoMo迅速採用了該規格。該公司於2011年8月全球率先上市了配備Qi規格無線供電功能的智能手機「AQUOS PHONE f SH-13C」。並為無線供電功能命名為「放置充電」。在2011~2012年的冬春款機型中將支持產品增至5款,如果銷售順利,2012年3月底全球將有100萬部支持Qi規格的手機在使用。

充電基礎設施的建設最重要 

   在手機中採用無線供電功能時,NTT DoCoMo重視的是作為社會基礎設施的充電環境。配備無線供電功能的便攜終端與充電環境的建立是「先有雞還是先有蛋」的關係。「如果在支持機型面世的階 段充電環境還沒有建立起來,就會被認為是無法使用的功能,從而被忽視」(NTT DoCoMo的南部)。所以該公司重視的不是特定廠商的自主技術,而是行業標準規格。

   NTT DoCoMo計劃加速建立充電環境。如果充電環境得到完善,就會有更多的消費者被放置充電的便利性所吸引,從而推動普及。「目前在約60個地方設置了約 500台支持Qi規格的供電底座。計劃2011年內增加一倍」(南部)。供電底座的設置位置包括全日空(ANA)的機場休息室和PRONTO Corporation的咖啡廳及酒吧等 注2)。另外,NTT DoCoMo還在與日本麥當勞、羅森、高島屋以及三越等知名企業合作 注3)。

注2)可在ANA的羽田、成田、新千歲、關西和福岡5個機場的國內線休息室內利用「放置充電」。利用時間截至2012年3月31日。

注 3)NTT DoCoMo於2011年9月宣佈在ANA、東寶影院、PRONTO Corporation、EARTH Holdings以及GLOBAL SPORTS醫學研究所(按摩院)五家公司的店舖內設置。之後又擴大至伊予鐵高島屋、岩田屋三越、佐世保玉屋、札幌丸井三越、JTB、高島屋、名古屋三 越、日本麥當勞、三越伊勢丹、皇家花園酒店與度假酒店以及羅森的部分店舖。

家具及汽車行業也開始關注

  對於採用其他無線供電技術的廠商來說,Qi規格在社會基礎設施中的滲透是一大威脅。原因是,一旦該規格得到普及並安裝到基礎設施中,再想用其他的對抗技術來顛覆之會變得非常困難。現在Qi規格已經超出了手機及手機充電底座的範圍,正在逐漸擴大到其他行業。例如,日本最大的辦公家具廠商岡村製作所開發出了配備Qi規格無線供電功能的桌子。預計最早將於2012年上市。

  另外,除辦公室和咖啡廳外,在汽車和電車等的行駛過程中為智能手機等便攜終端充電的環境也在逐漸建立。「最近來自汽車行業的諮詢非常多」(從事Qi規格無線供電技術的MCM日本董事工藤雅道)。

Qi規格將席捲全世界

   Qi規格的興起不僅僅是在日本國內(圖3)。加盟WPC的企業截至2011年10月已經超過100家。雖然其中也有日本企業,但大多數是海外企業(表 1)。具有代表性的是美國大型手機運營商韋裡孫無線(Verizon Wireless)。加盟WPC的該公司已經發佈了7款以上支持Qi規格無線供電功能的智能手機。
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圖3:加盟WPC的企業達100家
2008年12月設立的WPC的加盟企業截至2011年10月已經達到100家。2011年11月以後的加盟企業數為推測值。
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   WPC加盟企業還以手機廠商為中心大幅擴大了行業的跨度。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聯企業以及知名半導體廠商和部件廠商也已經加盟,目前正探討將Qi規格用於多種 產品。

  新一代Qi規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,首先將面向個人電腦等實現30~35W的輸出功率」(WPC相關人士)。如果能提高輸出功率,可利用無線供電技術的產品將大幅增加。

抗衡技術也在打算捲土重來 

  如上所述,Qi規格成功實現了在短時間內普及擴大的超速啟動(Rocket Start)。不過,無線供電技術並不能斷言「肯定是採用電磁感應方式的Qi規格」。Qi要在所有便攜終端上普及,並建設社會基礎設施還需要相當長的時間。原因是,有大量技術群欲通過事實上的競爭和規格化競爭捲土重來(圖4)。
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圖4:除電磁感應方式以外還有很多其他無線供電技術
Qi規格使用的電磁感應方式以外的無線供電技術安裝示例。(a)的特點是,對供電底座的位置偏移容許度比電磁感應方式高。(b)方式可實現充電底座的立體設計。(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規格的對抗技術可分為以下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。

  ①電場耦合方式是使靜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,也稱為靜電感應方式。村田製作所和竹中工務店等日本廠商在積極致力於該方式的開發。

  ②磁共振方式是強化電磁感應方式送受電器之間的共振的技術。

  ③線路/共振器耦合方式是將光通信技術及高頻電路技術採用的行波*型傳輸路徑和共振器用於電力交換的方式。用於向移動的受電設備隨時供電等。龍谷大學等的研發小組正在推進開發。

*行波=波面移動的波。用於和駐波相區別。

定位自由度不同

   雖然①~③的技術在實用化及規格化方面起步較晚,不過開發各技術的廠商大多都認為,可憑藉技術優勢與Qi規格的產品進行抗衡。這裡的優勢是指,供電時的 定位自由度比電磁感應方式高。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,這三種方式並不只是在特定的一個位置,而是可以放置在更大 範圍內的任何位置。

  無線供電技術存在的基本意義是,將電子產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,那麼無線供電的魅力就減少了一半。在無線供電技術中,如何提高定位自由度是技術和產品的競爭核心。

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。電磁感應方式和電場耦合方式就是憑藉水平方向的自由 度來競爭的。尤其是符合Qi規格的電磁感應方式,如果送受電線圈只有一對,自由度就會比其他方式低。已上市的產品正努力通過在安裝上下工夫來彌補這個缺 點。
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圖5:無線供電技術的兩大方向性
無線供電技術的開發競爭方向有以下兩個:供電底座上的受電設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一般情況下受電設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競爭也已經開始了。

   例如,採用磁共振方式的美國高通(Qualcomm)公司的「WiPower」技術就強調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規格晚,不過我認為完全能利用這一優勢來抗衡」(高通公司無線電源解決方案高級總監Mark Hunsicker)。

   在不久的將來,採用磁共振方式的便攜終端和家電產品將大量出現(圖6)。現在已經推出了首批產品。即三星電子2011年1月上市的、採用該方式的3D電 視專用眼鏡(3D眼鏡)和充電底座。高通公司的某技術人員也向本刊透露,「採用WiPower的產品可能會在2012年前後上市」。
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圖6:採用磁共振方式的產品也將迎來熱潮
磁共振方式的產品和技術分三類。(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技術透過厚約5cm的樹脂供電的情況。(c)是WiTricity公司的試製品。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授權的企業以及技術合作企業。例如,2011年7月宣佈將向台灣知名半導體公司聯發科(MediaTek)授權提供磁共振技術。

抗衡技術開始制定標準 

   除了技術優勢外,全球還出現了通過推進規格化和標準化來對抗Qi規格的動向。美國家電產品標準化團體Consumer Electronics Association(CEA)的R6.3委員會針對電磁感應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,負責磁共振方 式標準化的WG4組長由高通公司的技術人員擔任。

   韓國的標準化團體TTA*打算基本上直接沿用CEA的無線供電技術規格。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)=韓國的通信技術標準化機構。相當於日本無線工業及商貿聯合會(ARIB)。

注 4) CE4A是德國奧迪、寶馬、戴姆勒和大眾四家公司於2006年成立的團體。後來,梅賽德斯奔馳、保時捷、法國標誌雪鐵龍、美國福特汽車也加盟了該團體。日 本的汽車電子業界團體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相關團體寬帶無線論壇(BWF)與日本總務省合作,開始針對輸出功率為50W以上的無線供電產品討論技術標準和安全 標準。「2012年底之前將發佈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、東芝研發中心無線系統研究室研究主任莊木裕樹)。

   2009年,日本總務省宣佈磁共振方式在日本實用化的時間為「2020年前後」,而2010年將這個時間提前到了「2015年前後」。從此次的指南制定 時間來看,還有望在更早的時間實現實用化。因為「考慮到海外廠商以及標準化動向的速度,已經不能再悠然自得了」(BWF的某位委員)。 (未完待續  記者:野澤 哲生、久米 秀尚,《日經電子》)
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圖10:從家電到汽車,均建立了無線供電技術的標準化體制
無線供電技術的國際標準化團體及各自間的關係。


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