施耐德

无线充电技术各擅胜场 应用快速扩散

  • DIGITIMES企划
现阶段四种主流无线充电技术

随著充电功率提升且速度加快,手机品牌大厂纷纷推出搭载无线充电功能的手机产品,近来此领域最重磅的消息当属苹果i8将导入无线充电。随著此类消息的层出不穷,无线充电市场可望持续加温。根据市调机构IHS预估,至2025年,无线充电接收端与发送端设备的总出货量将达到28亿台,数量惊人。

回溯无线充电技术的发展史,经过一番整并后,目前无线充电技术主要由AirFuel Alliance及无线充电联盟(WPC)这两大阵营主导,采用这两大阵营新版规格的无线充电产品皆已商用量产。值得一提的是,由于磁共振(Magnetic Resonance;MR)及磁感应(Magnetic Induction;MI)技术各有擅场,因此两大阵营皆已推出双模技术。

 点击图片放大观看

无线充电主要联盟发展

就无线充电技术的发展来看,除上述利用磁场传输电力的磁感应及磁共振技术外,无线电波式式相对发展较成熟的技术,电场耦合式无线充电技术则因获得Apple Watch的采用,也跻身为现阶段主流无线充电技术的一员。

值得注意的还有新近崛起,由Dialog与Energous合作推动的无线电充电技术WattUp。以下就让我们来进一步了解这些无线充电技术。

利用磁场传电  磁感应&磁共振双模化

首先,磁感应技术可说是较早获得采用的无线充电技术。此技术以磁感应进行无线方式传输电能,主要是通过两个线圈之间产生的电感耦合进行。发送线圈内的交流电形成震荡磁场,处于该磁场感应范围内的接收线圈发生电磁感应,产生感应电流。

然而,由于自感、补偿架构的不同,以及不同线圈搭配产生的不同互感,任何充电线圈之间都不大可能拥有相同的属性,因此两块不同厂家的充电线圈(charging pad)设备之间要需要有良好适配。整体来说,磁感应无线充电技术的优点是成本低,缺点则是受电端和送电端的线圈位置需对准。

同样利用磁场传输电力,利用磁共振方式进行无线充电,就不会发生线圈匹配问题。磁共振无线充电是利用谐振器件,例如电感和电容等,使发射端和接收端达到特定频率,进而产生磁场共振并传输能量。优点是传送效率高,方便一对多同时充电,但缺点是磁共振技术的电路非常复杂、成本高昂、频率调校不易、共振不易维持,且传输效率很容易受到共振频率的影响。

电波式及电场耦合  追求位置自由度

至于无线电波式充电技术,这是相对而言发展较为成熟的技术,主要是由微波发射装置和微波接收装置组成,可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量,在随负载做出调整的同时保持稳定的直流电压。

接下来谈到日本村田制作所力推的电场耦合无线充电技术。在CEATEC Japan 2010电子综合性大展中,村田制作所展示的自行车机器人Type ECO,就是搭载此无线充电技术。

所谓的电场耦合无线充电技术,是利用按垂直方向排列而成的2个非对称偶极子,这组偶极子各由供电部分和接收部分的活性碳电极和接地电极组成,通过这2个非对称偶极子的电场耦合而产生的感应电场来供电。利用这种结构可以实现位置自由度高且传输效率高的电场耦合式无线供电。

此外,值得一提的是,此技术对于电极形状、材质的限制较少,且电极可以薄型化。这是因为电场的结合部分没有电流经过,因此未必需采用铜、银等优良导体,依据形状使用ITO透明电极或是网状电极都是可能的。再者,此技术的电场结合部分发热极少。这是因为电场的结合部分是交流电压带电平面状导体,通过电流极为微小,导体本身不会过热。

射频式无线充电  摆脱线圈需求

除上述主要无线充电技术外,近来Dialog和Energous共组策略伙伴关系力推的WattUp射频式无线充电技术,也颇受业界注意。此技术与现行基于线圈的感应或共振式无线充电的最大不同,在于其采用射频无线电技术,透过接收发射端的无线电波,再将其转换为电源,因此可免除线圈设计,再加上天线设计的弹性与体积小优点,能为助听器、IoT传感器这类小型装置提供无线充电功能,而且放置自由度极高,任何角度都能进行充电。

Energous将WattUp技术分为近场(near field)、中场(mid field)、以及远场(far field)这三种版本,其充电距离分别为接触式(5mm)、90公分、450公分。此外,依据距离的远近,可提供不同的功率规格,分别为数瓦、数百mW、以及数十mW等。

此技术先前受到质疑的安全及干扰问题等,在Energous于2016年宣布已通过美国FCC(联邦通信委员会)核准后,似乎已一定程度减少外界的疑虑。

除上述知名度较高的无线充电技术外,其实还有许多技术研发正在进行中,这些技术包括Wi-Fi无线充电、超声波无线充电、利用聚焦光线充电,以及利用红外光的充电系统等。无线充电技术百花齐放,各自在成本、扩充性、功率、效率、尺寸、距离等方面皆有强弱表现,可以预见未来市场应是多种无线充电技术共存的局面。