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近場無線充電技術及未來應用趨勢

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科技產業資訊室 (iKnow) - 何思穎、張小玫 發表於 2020年4月16日
 
圖、近場無線充電技術及未來應用趨勢
 
所謂無線充電技術是透過磁場感應或共振,以空中傳輸方式將電能傳遞到待充電的裝置物體上,省去了惱人的連接線,這技術的發展已逐步使人們的生活更便利了。尤其,進入萬物聯網及電動車時代,無線充電技術顯得更加重要。而且,無線充電也可克服不同品牌之間接頭不相容的問題,免除了每項電器產品都需獨立供電裝置的困擾。
 
大多數無線電力和充電板利用電場、磁場或電磁場來傳輸電力,並區分為兩類:不輻射與輻射(non-radiative and radiative) 或 近場與遠場(near and far field)。前者以兩個線圈之間的電感耦合,短距離傳輸電力,或者利用電極對之間的電容耦合在電場上傳輸電力。這類充電板主要用於不受距離影響的行動裝置或其他應用。還有一種是通過電磁輻射束(beams of electromagnetic radiation)在長距離上發射功率,利用微波或雷射為無人機到太陽能人造衛星等供電。
 
目前常見的智慧型手機的無線充電功能是在充電座內設計一組傳輸感應線圈,另在手機背殼內嵌入一組微型接收線圈。當電源饋入充電座端的傳輸線圈後,立即感應發射磁力線,並由手機內的接收線圈轉換為感應電壓,再經由電源穩壓電路升壓為5伏特以利於手機充電。至於兩線圈間的磁場強度與耦合係數,可藉由在兩感應線圈間加入導磁性鐵芯材料的小技巧予以強化,並能屏蔽金屬物體及電子元件的干擾。現階段,無線充電技術的應用已從小功率5瓦特的手機發展到大功率千瓦等級的電動車,並且逐步改變了人們的生活習慣。
 
以下5種近場無線充電技術及未來應用趨勢:
 
1. WiTricity
波士頓新創公司WiTricity以其「磁共振(magnetic resonance)」無線充電技術而聞名,該技術是基於弱耦合的電磁共振物體來傳輸電力。該公司的充電板是由發射器和接收器組成,這些發射器和接收器內置能調諧至相同頻率的磁環天線,從而使充電板可同時為多個裝置充電,因線圈可不需完全對準天線即可進行電力傳輸。WiTricity的目標對象是電動車業者,包含獲得Toyota和Nissan等多家汽車製造商的支持。2019年2月,WiTricity技術整合了Qualcomm Halo技術。
 
2. Energous WattUp
Energous的WattUp無線充電系統允許在充電板周邊距離進行智慧手機、平板電腦和其他裝置充電。WattUp的運作方式類似WiTricity(磁共振),透過備有無數小型天線的發射器發射RF訊號至接收器的方式充電。但WattUp與WiTricity兩者不同之處,在於WattUp的發射器利用藍牙搜索授權使用Energous app充電的裝置。找到這些裝置後,再將RF訊號導至藍牙裝置,將電力轉換為直流電(DC)進行充電。

3. uBeam
無線充電技術新創公司uBeam,不使用傳統方法(電感、電容、電磁等),而是靠純超音波(ultrasound)來傳輸電力。該公司表示,該無線電板使用類似於擴音器的發射器,發出45至75 kHz(人類和動物聽不到)的高頻聲音。然後使用相位陣列(phased-array)天線將聲音傳導至類似麥克風的接收器上,使配備裝置將電力轉換為直流電(DC),一旦裝置充電後,電力傳輸即停止。
 
4. Qi Wireless Power
自2008年問世以來,Qi無線充電標準已被140多種行動裝置和充電器使用。Qi標準是無線充電聯盟(WPC)開發的,利用電感進行無線電力傳輸。該系統本身依賴充電板和相容裝置,透過平面線圈對之間的共振電感耦合進行充電。
 
5. Elix Wireless
Elix Wireless已開發出1,000至20,000 W的無線高效充電器,用於電動車和工業設備。該公司專門研究磁動力耦合(magneto-dynamic coupling;MDC),該技術在發射器和接收器中都使用一組旋轉式磁鐵,兩者之間由氣隙隔開,當發射單位中的旋轉式磁鐵導致接收器磁體同步旋轉,從而進行有效率的電力傳輸,與其他感應式方法相比產生更少的熱能。
結語
電力的無線傳輸技術發展,即使在短距離傳輸上仍是一項持久戰,工程師必須不斷努力提高電力傳輸的效率和速率。未來以滿足行動裝置、電動車充電站的需求,甚至為患者胃腸道中的小型電子膠囊進行無線供電。(1213字;圖1)
 
 
參考資料:
5 Wireless-Charging Technologies that Bring the Power. Electronic Design, 2018/3/13.
Robust wireless power transfer using a nonlinear parity–time-symmetric circuit. Nature, 546, pages387–390(2017).


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