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無線電力傳輸的可能性與日俱增

您對能量無線傳輸想必並不陌生,事實上,此概念早在 100 多年前 Tesla Coil(特斯拉線圈)電路發明之時便已問世。 居家環境中的電動牙刷是最常見的無線能量(或稱電感耦合)的實際應用。 但近年來無線能量已應用於各種領域,企業更是前仆後繼,試圖探索此技術的其他用途。

能量無線傳輸的關鍵指標在於有效性—發電端輸送的龐大能量必須抵達接收端,系統才可有效運作。 利用標準電感耦合與共振電感耦合可提供近場能量無線傳輸。 一般而言,標準電感耦合的效用較低,可用的通訊距離也較短,因為線圈之間的磁通多半並未相連,因此磁場會快速衰退。 共振強化後的共振電感耦合可提供更高的有效性(高達 95%),可用距離也長達數公尺,因為共振線圈能夠使能量在線圈之間傳輸,大幅減少能量流失。

標準電感耦合

標準電感耦合採用雙導體,導體配置時經過互感耦合或磁性耦合,因此便可運用電磁感應 — 以單一導線引發通往其他導線末端的電壓,使電流改變。 導體之間產生的耦合強度稱為互感。 將導線繞成線圈並緊密置於相同的軸上,於各線圈之間互通的磁場便可使耦合增強。 這種電感耦合方式可讓低頻能量源在短程內發揮效用。 無線互連技術若運用標準電感耦合,便可降低尺寸,以低功耗實現高效能。

共振電感耦合

共振可用以加長電力傳輸的有效距離。 共振電感耦合同樣採用雙線圈結構,可在中程內產生電能的近場無線傳輸。 共振電感耦合與標準電感耦合不同之處在於其線圈以相同頻率共振,形成具備高 Q 值的共振變壓器。 電能會在兩個共振線圈之間傳輸。 讓振盪電流通過線圈「環」便可形成振盪磁場。 由於線圈的共振程度高,線圈中的能量衰退速度因此較慢,但若在第一個線圈旁放置第二個線圈,則大部分的能量在流失之前都會傳輸到第二個線圈。 即使兩個線圈相隔較遠,這種現象依然會產生。

在半導體市場上,德州儀器目前運用磁性共振技術推出 bqTESLA 無線電力產品組合,其中包括採用接收端與輸送端 IC 的非接觸式充電整合產品。 此技術能讓可攜式電子裝置的峰值效率高達 93%,並降低系統內部的升溫情況,同時使裝置的充電率足可與標準型 AC 變壓器相比。

應用領域


Duracell Power WiCC(無線充電卡)

無線電力的可能性與各種創新用途已逐漸備受關注,零售業對架上陳列的裝置或產品進行無線供電或充電便是其中一例。 例如搭載晶片的智慧型電子雜誌可透過陳列架接受無線充電,並利用燈光突顯雜誌封面,加深產品對潛在消費者的吸引力;而電池玩具若可自動充電,便能隨時提供展示用途。

智慧型手機或其他消費型行動裝置放入充電膜套進行充電也是受到高度關注的應用方式,這種充電技術藉由電感耦合概念所運用的線圈提供能量無線傳輸。

Panasonic 與 Duracell 等公司更試圖將技術應用推向極限。 Panasonic 最近展示了太陽能感應式充電桌,行動裝置只需放在桌面上即可充電。 由於行動裝置的電池本身已整合接收電路,桌面的充電面板便可與電池直接連結,如此便無需使用充電膜套、其他耦合或第三方配件。 此類產品可讓人們在餐廳、咖啡館或機場候機室等公共場所為行動裝置充電,因此勢必會廣受採用。 Duracell 最近公佈的超薄型Power WiCC(無線充電卡)有望可支援任何行動裝置,並內含所有必要的無線充電電路,同時也加裝了 NFC(近場通訊)天線。

標準

能量無線傳輸協會 (WPC) 於 2008 年成立,目標在於實現無線充電技術的全球標準化,其已制定低功耗裝置的充電標準,此為產業未來運作時不可忽視的重點。 此標準讓充電裝置與接收裝置之間建立了互通性。 WPC 目前正進一步制定中功率應用的標準。 原本的低功率規格最高可提供 5W(或功率),中功率規格最高則可提供 120W,適合用於廚房家電等產品。

電動車與未來

最後則是令人萬分期待的應用領域—電動車無線充電技術,此技術可讓充電車利用個人車庫或公共停車場設置的充電點進行無線充電。 車底的接收器不必與充電點精準對齊,車輛即可充電。 從長遠看來,未來若能在一般公路上嵌入充電板,便可讓 EV/HEV 汽車在行駛中隨時充電;但如果要實現這種微型充電技術,各級地方與國家的行政相關議題尚有待解決。這種前景顯然仍遙遙無期,但科技的潛力始終無可限量。

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