無線供電新方式：直流共振供電詳解

　　日本村田制作所的細谷開發出了采用開關技術的共振方式無線供電系統。該方式的特點是系統整體的電力效率高，這為無線供電系統提高線圈等共振元件之間的傳輸效率帶來了巨大的影響。下面請系統的開發者來介紹一下直流共振方式的原理。

　　我們開發出了被稱為“直流共振方式”的無線供電技術（WPT：Wireless Power Transfer）（圖1）。與以往采用磁共振方式的WPT系統相比，其特點是系統構造更加簡單，包括電源在內的系統整體電力效率高。而且，即使傳輸距離發生變化，或者電力傳輸對象變為多個等負載發生較大變化時，電力傳輸效率也不會大幅降低，這也是特點之一。

　　圖1：直流電源和供電線圈形成“共振場”

　　此次開發的“直流共振方式”的無線供電系統演示。從直流電源——太陽能電池，利用具備開關電路的供電模塊將直流電壓轉換成矩形波，通過供電線圈生成了電磁場的近場“共振場”。

　　與原WPT的各種方式相比，直流共振方式有望實現以下特性（圖2）。首先，與磁共振方式相比，可提高系統的整體電力效率，而且系統構造變得非常簡單；其次，與電磁感應方式相比，供受電器件的位置自由度高，供受電器件的重量也變得更輕。與電場耦合方式相比，延長傳輸距離時較占優勢。與無線電波方式相比，傳輸電力更大 1～4）。

　　圖2：直流共振方式結構簡單，可實現高電力效率

　　本圖為WPT系統所需的要求事項（a），以及WPT實現方式的幾項課題和直流共振方式的優點（b）。

　　共振器的驅動方法不同

　　下面來詳細介紹一下直流共振方式與原來的磁共振方式的主要不同之處，共有以下幾點。

　?。?）直流共振方式由直流電源和LC共振器直接形成電磁場的近場——“共振場”。（2）作為（1）的結果，系統構造變得簡單，可實現小型輕量化。（3）作為（1）的結果，將電源電力轉換為共振場的轉換效率較高。

　?。?）采用直流電源是因為我們能利用的電能大部分都是直流電源，因此可用性較高。即使是家中的插座供給的50Hz和60Hz等AC100V商用交流電源，也大多是通過AC適配器或者家電產品內的AC-DC轉換器進行整流濾波后變為直流電源使用的。干電池和充電電池就不用說了，也都是直流電源。

　　而且，如（2）所述，利用直流電流可以大幅簡化系統的電路構成。目前常用的磁共振方式WPT系統的供電裝置由商用交流電源、用于絕緣的電源裝置、輸出高頻電流的振蕩放大裝置、整合裝置以及供電裝置構成（圖3）。受電裝置由受電器件、整流平滑電路以及用于與負載整合的DC-DC轉換器等構成。如果負載為充電電池等，還需要充放電電路等。

　　圖3：損失比較大的現有WPT系統

　　本圖為典型的WPT系統的構成和電力效率。由于是從電源經由幾個功能電路將電力傳輸至負載，因此系統整體的效率變得非常低。

　　如此之多的電力轉換裝置對于提高電力利用效率來說是致命傷。例如，如果供受電器件的傳輸效率為80％，五個電力傳輸裝置的電力效率也為80％，則供電系統整體的電力效率根據（0.8）6＝0.262來計算約為26％。即使各裝置的效率為85％，根據（0.85）6＝0.377來計算，整體的電力效率也只有約38％。整個系統的電力效率非常低4）。

　　直流共振方式的系統構造非常簡單，可在直流電壓電源和開關電路上直接連接共振器件（圖4）。由此，電力傳輸損失變得非常小，如（3）所述，與原方式相比，將電源電力轉換為共振場能量的轉換效率升高。而且，由于從電源電力轉換為共振場的轉換效率高，還容易用于利用大量共振器件的新無線電力傳輸（圖1）。

　　圖4：與原方式的不同在于電力傳輸方式

　　直流共振方式WPT（a）與原來的磁共振方式WPT（b）的不同。差別在于電源和共振器的驅動方法。