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電場耦合型無線供電技術深論(下)

本文作者：陳乃塘點擊： 2012-12-21 09:58

前言：

無線電力傳送，所能夠採用技術並不少；WPC組織所策劃的規範聚焦於電磁誘導；高通與三星主導的新組織A4WP(Alliance for Wireless Power)也於2012誕生；磁場共鳴方式，有多家公司展示與研發，不過本文將重心擺在『電場耦合方式』。參考世上僅有村田製作所以及田中工務店研究所的發表論文，將這門技術作一個總探索。提醒您一下，小心此方面領域的佈局專利網!

電場耦合、無線供電方案 (2) –竹中工務店技術分析：

●. 為何會致力於並列共振類型

日本建設大公司竹中工務店所開發的電場耦合技術與村田製作所別有差異。它是屬於一種電場結合共振方式的類型。共振的方式有串接共振類型、並列共振類型、主動電容(active capacitance)類型。不過，該公司的重心擺在並列共振類型。

先來看看串接共振以及並列共振的電場耦合方式傳送概念圖。並說明何以會著重於並列共振類型。

圖:串接共振(左)以及並列共振(右)的電場結合方式。取自竹中研究所。

串接共振的電路連接相當簡單，在接合容量部分串接一個電感(L)，藉由滿足共振條件使的接合部分的阻抗極小時來送電的方式。依據竹中的說法，其實驗報告可以有90%的效率來傳送90W的電力。不過，串接共振方式卻存在著以下這些問題。

送電部分與受電部分之間的接合容量，會依據接觸的狀態而變化。為了維持共振的條件，就必須進行調整傳送頻率(f)以及電感值(L)。若是採用調整頻率的方式，會增大佔有頻帶。同時為了因應共振電路的Q值，對於接合容量以及電感，必須施加高電壓。

因此，才轉移到並列共振方式，如上圖右。這個電路與MIT團隊所研究的磁場共鳴方式，基本上是相同的。差異點在於MIT使用媒體是磁場，而竹中工務店卻是採用電場的結合。

這個電路的特徵，接合容量並非共振電路的一部份；接合容量比起C1、C2更小的場合，接合容量的變化並不會對共振電路的頻率造成太大的影響。同時，共振電路在共振的場合，兩端的阻抗極高，即使接合容量有變化，共振電路的輸出電壓施加於共振電路，對於接合容量的變化具有低通(Low pass)的性質。

● . 電場耦合方式的電極構成

對於電場結合的電極構成，有多種方式，如下圖：

圖:電極構造的比較。取自竹中研究所。

上圖(a)乃是美國MIT所提倡的方法，中等範圍(midrange)的非接觸電力供給方式。

利用了從電容器電極放射的外部電場在空間中作成了電場。因此，無妨如此來觀想，有如天線來放射強的電磁波。

上圖(b)乃是TMMS所提倡的方法，也是村田製作所實際上所製作的方式。電極呈現出縱方向的配置是其特徵。存在於中央的電極很小，電極之間的距離也很狹窄，而在其上下所配置的電極，無論是電極面積還是電極間距離都比較大，可以觀想為流過變位電流來放射電磁波。

上圖(c)就是竹中工務店所採用的電極構造。這個方式，構成接合容量的電極間隔狹窄，將接合容量考量為Dipole時，放射電磁波小。同時，一個Dipole的鄰旁是存在另一個反極性的Dipole；放射電磁波會相互抵銷而受到抑制。

這個方式，並非侷限於兩電極構造。由於鄰接電極的極性是相反的，因此，可以存在多電極化，近一步抑制電磁波放射。

●. 並列共振型電力傳送裝置

根據以上所說採用的共振電路與電極構造，所製作裝置的外觀圖如下：下側乃是送電部份，上側是受電部份，受電部安裝了一個虛擬負荷(Dummy load)。送電部與受電部之間，並置了兩個接合容量。這個裝置為了進行實驗上的緣故，體積上稍微大了一些，而且，實際上裝置的受電部份也需要支撐的機構。

圖:裝置外觀圖。取自竹中研究所。

下圖是所製作的變頻器(Inverter)，具有0.6MHz、1.2MHz、2.0MHz的輸出頻率，採用了半橋接(half bridge)線路，可以切換連接器來使用。變頻器是收納在送電部分之內。

圖: Inverter (從右分別是0.6MHz/1.2MHz/2.0MHz)。

含有並列共振電路以及驅動器的傳送電路，也是匯集了3種頻率。在送電部分，變頻器(Inverter)的輸出連接到共振電路；而共振電路的輸出則是連接到送電電極。而在受電部分，也是收納了相同的電路，從受電電極的輸出再輸入到本傳送電路，傳送電路的輸出則是連接到虛擬負載(Dummy load)。

圖:傳送電路。(從右分別是0.6MHz/1.2MHz/2.0MHz)。

送電電極與受電電極構成了接合容量的部分，其外觀如下圖。左邊是受電電極，右方則是送電電極。

圖:接合容量的電極外觀圖。

送電電極使用了相對介電常數4500、tanδ 0.01的鈦酸鋇材料(100mmx100mmx1mm)。鈦酸鋇材料是在裡面全面蒸著鋁金屬之後，黏貼銀並密著於不鏽鋼電極板。並在邊緣的空隙部分充填了環氧樹脂；防止加壓時造成鈦酸鋇材料的裂痕。

注：介電常數(permittivity)或說誘電率。當介質的誘電率與真空的誘電率之比，就是相對介電常數(比誘電率)。

送電電極使用了鈦酸鋇材料的剛體，而對向的金屬研磨製電極僅有點接觸，絕大多數所佔面積是微小的空隙。因此，接合容量並不大，為了改善這個問題；在受電電極採用了導電性軟電極。軟電極是硬度5度的滾筒矽去掉裏面，五面覆蓋不鏽鋼網，電極板的四周施予銲錫。而不鏽鋼網材則是纏繞含有碳的導電性橡膠。如此的方法，是為了確立電極導電性以及軟性的兩立。

下圖是所製作兩個接合容量A,B(導電性軟電極與強介電體對向之構成)的容量以及tanδ的測量結果(接觸的壓力大約是40g/cm2)。

圖:接合容量、tanδ的頻率相依關係。

仔細來觀察接合容量、tanδ與頻率的相依關係，在0.6MHz以上時，幾乎是定數。

此時的容量A：152nF，B：124nF。實現了完全密著鈦酸鋇材料理想容量(398nF)的31% ~ 34%。使用金屬平板電極替代軟電極的場合，容量低於理論值的十分之一；可以理解改善之道。tanδ，A：0.054，B：0.065，大於鈦酸鋇材料單體的tanδ(0.01)。容量較大的，有較低的tanδ。