無線充電技術各擅勝場 應用快速擴散

2017/08/10 - DIGITIMES企劃

隨著充電功率提升且速度加快,手機品牌大廠紛紛推出搭載無線充電功能的手機產品,近來此領域最重磅的消息當屬蘋果i8將導入無線充電。隨著此類消息的層出不窮,無線充電市場可望持續加溫。根據市調機構IHS預估,至2025年,無線充電接收端與發送端設備的總出貨量將達到28億台,數量驚人。

回溯無線充電技術的發展史,經過一番整併後,目前無線充電技術主要由AirFuel Alliance及無線充電聯盟(WPC)這兩大陣營主導,採用這兩大陣營新版規格的無線充電產品皆已商用量產。值得一提的是,由於磁共振(Magnetic Resonance;MR)及磁感應(Magnetic Induction;MI)技術各有擅場,因此兩大陣營皆已推出雙模技術。

就無線充電技術的發展來看,除上述利用磁場傳輸電力的磁感應及磁共振技術外,無線電波式式相對發展較成熟的技術,電場耦合式無線充電技術則因獲得Apple Watch的採用,也躋身為現階段主流無線充電技術的一員。

值得注意的還有新近崛起,由Dialog與Energous合作推動的無線電充電技術WattUp。以下就讓我們來進一步了解這些無線充電技術。

利用磁場傳電  磁感應&磁共振雙模化

首先,磁感應技術可說是較早獲得採用的無線充電技術。此技術以磁感應進行無線方式傳輸電能,主要是通過兩個線圈之間產生的電感耦合進行。發送線圈內的交流電形成震盪磁場,處於該磁場感應範圍內的接收線圈發生電磁感應,產生感應電流。

然而,由於自感、補償架構的不同,以及不同線圈搭配產生的不同互感,任何充電線圈之間都不大可能擁有相同的屬性,因此兩塊不同廠家的充電線圈(charging pad)設備之間要需要有良好適配。整體來說,磁感應無線充電技術的優點是成本低,缺點則是受電端和送電端的線圈位置需對準。

同樣利用磁場傳輸電力,利用磁共振方式進行無線充電,就不會發生線圈匹配問題。磁共振無線充電是利用諧振器件,例如電感和電容等,使發射端和接收端達到特定頻率,進而產生磁場共振並傳輸能量。優點是傳送效率高,方便一對多同時充電,但缺點是磁共振技術的電路非常複雜、成本高昂、頻率調校不易、共振不易維持,且傳輸效率很容易受到共振頻率的影響。

電波式及電場耦合  追求位置自由度

至於無線電波式充電技術,這是相對而言發展較為成熟的技術,主要是由微波發射裝置和微波接收裝置組成,可以捕捉到從牆壁彈回的無線電波能量,在隨負載做出調整的同時保持穩定的直流電壓。

接下來談到日本村田製作所力推的電場耦合無線充電技術。在CEATEC Japan 2010電子綜合性大展中,村田製作所展示的自行車機器人Type ECO,就是搭載此無線充電技術。

所謂的電場耦合無線充電技術,是利用按垂直方向排列而成的2個非對稱偶極子,這組偶極子各由供電部分和接收部分的活性碳電極和接地電極組成,通過這2個非對稱偶極子的電場耦合而產生的感應電場來供電。利用這種結構可以實現位置自由度高且傳輸效率高的電場耦合式無線供電。

此外,值得一提的是,此技術對於電極形狀、材質的限制較少,且電極可以薄型化。這是因為電場的結合部分沒有電流經過,因此未必需採用銅、銀等優良導體,依據形狀使用ITO透明電極或是網狀電極都是可能的。再者,此技術的電場結合部分發熱極少。這是因為電場的結合部分是交流電壓帶電平面狀導體,通過電流極為微小,導體本身不會過熱。

射頻式無線充電  擺脫線圈需求

除上述主要無線充電技術外,近來Dialog和Energous共組策略夥伴關係力推的WattUp射頻式無線充電技術,也頗受業界注意。此技術與現行基於線圈的感應或共振式無線充電的最大不同,在於其採用射頻無線電技術,透過接收發射端的無線電波,再將其轉換為電源,因此可免除線圈設計,再加上天線設計的彈性與體積小優點,能為助聽器、IoT感測器這類小型裝置提供無線充電功能,而且放置自由度極高,任何角度都能進行充電。

Energous將WattUp技術分為近場(near field)、中場(mid field)、以及遠場(far field)這三種版本,其充電距離分別為接觸式(5mm)、90公分、450公分。此外,依據距離的遠近,可提供不同的功率規格,分別為數瓦、數百mW、以及數十mW等。

此技術先前受到質疑的安全及干擾問題等,在Energous於2016年宣布已通過美國FCC(聯邦通信委員會)核准後,似乎已一定程度減少外界的疑慮。

除上述知名度較高的無線充電技術外,其實還有許多技術研發正在進行中,這些技術包括Wi-Fi無線充電、超聲波無線充電、利用聚焦光線充電,以及利用紅外光的充電系統等。無線充電技術百花齊放,各自在成本、擴充性、功率、效率、尺寸、距離等方面皆有強弱表現,可以預見未來市場應是多種無線充電技術共存的局面。