告別有線時代 無線充電 生活大解放

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文字整理 湯蕙華 圖 林佳瑩、楊越涵 審閱 南臺科技大學電機工程系 李宗勳助理教授

在過去生活中,電線已成為人們不可或缺的存在,如果有一天充電不再需要電線,而以無線充電為主軸,普遍應用於各種行動設備,會是什麼面貌呢?根據國際市調機構IHS iSuppli研究報告估計,2018年「無線」商機將上看80億美金,從穿戴式裝置、物聯網、智慧環境、醫療、電動汽機車各產業不難發覺應用無線充電技術,一場無線充電大革命正悄悄地在生活中拉開新序幕。

無線充電歷史由來已久

現代人生活不離科技,在智慧型手機普及的時代,一旦手機沒電,總須手忙腳亂尋找充電電源。試著想像,如果手機沒電時,只需將手機優雅地往旁邊桌上一擺,電力就涓流不斷,自然進入生活不著痕跡,生活將變得更便利。現今比利時的魯汶車站、荷蘭阿姆斯特史基輔機場、美國與英國部分的星巴克咖啡廳,都已提供無線充電服務環境,體驗無線世界的奧妙。

很多人聽到無線充電,以為是因應智慧型手機的無線充電裝置而生的新技術,其實無線充電早在十多年前就出現在生活當中,如電動牙刷、電動刮鬍刀、家用無線電話以及早期的低功率PHS行動電話,都屬於無線充電技術應用。

無線充電技術的開發已有百餘年的歷史,首先是由美籍科學家尼古拉.特斯拉(Nicola Tesla)的放電感應實驗開始,奠定未來無線充電技術的基礎理論。最具代表性的突破則是在2007年,美國麻省理工學院研究團隊採用了9.9 MHz 的磁場共振技術,成功點亮2公尺外的60W球型燈泡。2012年無線充電技術應用於手機,初期僅有5W功率的傳輸率,現逐步提升傳輸功率,擴大應用於3C電子商品、智慧家電、與醫療電子設備,以及大功率電動車的應用,可見現階段已從5W到大功率千瓦特等級的電動車,漸漸開拓人們的新視野。

「感應」是無線充電的基本原理

什麼是「無線充電技術」呢?簡單地說就是電與電之間的無線接觸。目前的技術使電力經過兩次轉換,例如電力轉磁力、磁力轉電力,進而達到無接觸的無線供應電力的效果。

無線充電的技術有許多種,最常見的有磁感應(Magnetic Induction)與磁共振(Magnetic Resonance)兩種方式,此外較少見的有射頻、微波等技術。不同業者制定的無線充電規格標準也不盡相同,例如目前常見的無線充電標準包含:無線充電聯盟(Wireless Power Consortium, WPC)、無線電力聯盟(Alliance for Wireless Power,A4WP)與電力事業聯盟(Power Matters Alliance, PMA)三種規範。

主流的三種無線充電技術

為目前最普遍應用的無線充電技術,透過發射端與接收端的磁場線圈感應而產生電力,就是國中物理課教過的「法拉第電磁感應定律」,透過電生磁與磁生電的方式來傳輸電力。運用此方式充電的優點是成本低、短程運輸效率較佳,缺點是雖然已從只能一對一充電進步到可一對多,但對於雙方接收的線圈、距離較為敏感,功率和頻率不是太高。

目前仍在研究中的無線充電技術,利用磁場共振現象,經由能量發送與接收裝置調至相同頻率或指定頻率,使得對應的電力端產生共振,進而達成能量交換目的,電磁共振比感應式的距離較遠,目前技術最遠可達到3公尺左右,傳輸功率較高,並可達成一對多的裝置同時充電,其缺點是此類技術的電路相當複雜且需考量線圈材料特性,具成本高、頻率校正不易、傳輸時容易受到共振頻率影響等問題。

現代較為成熟的技術,透過接收發射端的電波轉化成電流,通過電路來傳輸電流,可免於使用線圈。優點是適合遠距離小功率的充電,可自動充電,缺點是轉換效率較低、充電對象定位不易、充電時間較長。

不插電夢想是否成形?

全球各大業者相中2018年無線充電商機,積極開發無線充電技術,但是無線充電真的能完全取代電線嗎?優劣勢為何呢?

若跟有線充電器相較,無線充電除了給人酷炫的科技感外,大致都有隨放隨充、一對多種電子設備充電的優勢,並且沒有傳統纜線與插入的動作,減少傳輸線或傳輸機械介面的磨損機會。缺點是受限於技術尚未完全開展,有傳輸距離受限、功率較低、成本高昂等問題。另一困境是,過去無線充電業者眾多,造成市面產品無法兼容通用,以致無法普及,雖這幾年多數相容性改採用電磁感應式WPC Qi 標準,但普及率仍待提升。

未來 無邊無際充電新世代

隨著無線充電技術的提升,創造一個「無線」的世界,生活將有意想不到的便利,並可應用於多種層面。

在國外已有業者推出「無尾家電」,像是果汁機、電鍋,不需要電源線,只須將電器放在廚房特定位置就可充電使用,插座不再被一堆電器線插得密密麻麻,降低電線走火風險,也讓廚房變得清爽不少。家中電器與傢俱都可輕鬆變身成無線充電的一部分,再結合物聯網,作為充電平台與智能控制。

以「無線充電站」取代加油站,不再遙不可及。現今電動車多採集中式充電方式,若是未來可採分散式充電,電動公車可利用乘客上下車之際充電,電動車可在購物、吃飯時順便充電。南韓科學技術院也做過研發實驗,將無線充電器鋪設在道路上,讓電動公車能在道路上邊行駛邊充電,不用擔心在路面開了一半找不到充電站問題。國外賽車業者也將無線充電設備應用於賽季時的安全導航車、醫療車、服務車等。

醫療儀器置入無線充電技術,可解決過去植入人體的電子儀器,因電力耗盡就得開刀重新置入的惱人問題。比如未來預計將膠囊內視鏡加入無線充電功能。

穿戴設備可當救生用途:穿戴式設備移除充電接口後,可使防水性更為完善,發熱衣裝上無線發電也可在水下使用。同時,在穿戴設備上裝設無線充電器,當災難發生時或受困時就能不斷電,可及時發出求救訊號與定位。

無線感應網路(Wireless Sensor Network)技術,多應用於環境監測,常見於辦公室裡裝設的溫溼度感應器,可即時測試辦公室各區域溫度,達到最佳空調調節。由於無線感應器數量眾多,無法像有線充電那樣,逐一地換電池,透過無線充電技術或天然能源,可確保無線感應技術的長期使用。

國外業者目前研發以紅外線供電方式,可在家中或是公共場所的電子設備充電,例如研發出在壁燈裝入分佈式共震器,接收端像是隨身碟的接收器,約距離10公尺處,就可自動幫裝置充電。日後還能將發射器藏在洗衣機、磁磚、冰箱中,充電方式有如現今無線上網一般,在不知不覺中,手機就自動進行充電。現今國內也可看到業者生產的車用無線充電手機支架,運用紅外線感應開關,搭配無線充電功能,只要手機一放上車架,就能自動替手機充電。而目前亦有汽車已有搭配Qi標準的無線充電機制,不需要紅外線感應開關。

無線技術開發正值百花齊放時代,在各家業者大展身手開拓無線充電這片藍海,隨著全球三家大型無線充電組織要積極合作,逐步規劃「大量布建」與「統一規格」之際,將預見無線充電技術將日益蓬勃發展,人們將擺脫糾結已久的電線與插座,嶄新的無線生活將指日可待!

參考文獻:

李宗勳(2017),〈無線充電技術〉,《科學發展》540期,62~67頁。

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