無線充電發展趨勢

諾基亞（Nokia）去年年底吹起反攻的號角，藏鏡人Lumia 920終於現身，創新設計出手機支援 Qi 無線充電讓手機充電更便利（圖1），只要將 Lumia 920放置在無線充電板上就能進行充電，你再也不需要將手機插上充電線了，讓充電變得如此簡單。現代人使用的行動裝置眾多，如手機、相機、平板等等，問題就出在充電時插座不夠用，不然就是連接頭一大堆規格，不同連接頭又搭配著不同的電線，「無線充電」的出現，將一一解決前面所發生的問題。

 

圖1  Nokia針對Lumia 920無線充電所設計出的無線充電板（資料來源：Nokia官網）

早在1890年，一位曾經在愛迪生底下工作的天才尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）就已經做出無線電力供電試驗（圖2）。但因技術不成熟、且所花費用不菲，特斯拉的構想並未得到實現，不過也種下無線充電的夢想種子。

 

圖2  Nikola Tesla進行無線電力供電試驗（資料來源：WiKi官網）

在2013年初，工研院召開 「2013年十大ICT產業關鍵議題」記者會，會中提出十大值得我國科技產業積極佈局重點，其中，關鍵議題10提出無線充電將是行動電子擺脫連接線束縛的最佳方案之一。目前有三大無線充電聯盟將相關規範標準化，三大無線充電聯盟分別為獲Google、AT&T和Starbucks等支持的Power Matters Alliance (PMA)、以及獲Nokia、LG等支持的Wireless Power Consortium (WPC)、以及獲Samsung 等支持的Alliance for Wireless Power (A4WP)，各個聯盟無不卯足全力競逐標準主流。

以無線方式傳遞電源的方法很多，目前以電磁感應與電磁共振技術最被看好，各聯盟也有獨自支持的技術標準，PMA與WPC兩聯盟就都採用電磁感應技術，A4WP聯盟則是採取電磁共振技術。舉例來說，WPC的標誌是「Qi」，標準化實現之後，只要有Qi標誌的無線充電裝置，無論是哪家廠商的哪款手機皆可無線充電。順帶一提WPC官網說明著“Qi”意為“氣”，在東方哲學中代表“元氣”是一種無形的能量運作。

本文將無線充電技術分為以下三種方式說明：

方式一是電磁感應，提供短程傳輸，此技術較為簡單。

方式二是電磁共振，將電能以共振等形式傳輸，電磁共振的傳輸距離要來的比電磁感應遠，是目前業界開發的重點。

方式三是電場耦合，本身體積小，目前投入開發的人不多、且業界支持者也較少。

電磁感應方式是用一組線圈通電流後（圖3a）於周圍會產生磁場。再用沒有通電的另一組線圈接近前述的磁場，沒通電的線圈中就會產生電流，進而供給負載（如電燈）。這個可從線圈向線圈供電的物理現象正是邁可·法拉第（Michael Faraday）發現的，被稱之為電磁感應。圖3b是對應電磁感應方式找到一篇運用此技術進行無線充電的韓國專利（KR101197579B），專利權是由韓國電氣研究院（Korea Electrotechnology Research Institute）所擁有的。

 

圖3a  電磁感應方式示意圖（資料來源：日經技術在線）

圖3b  KR101197579B示意圖（資料來源：PatBase 專利資料庫）

相較電磁感應方式的傳輸距離較短，電磁共振方式可以支援數公分至數公尺的無線充電。電磁共振同樣使用兩個規格完全匹配的線圈（圖4a），其中一組線圈通電後產生磁場，另外一組線圈因此共振，產生的電流即可提供給負載。電磁共振除了距離較遠外，還可以同時對多個負載進行充電。圖4b是對應電磁共振方式找到一篇運用此技術進行無線充電的美國專利（US7741734B），專利權原本是由麻州理工學院（Massachusetts Institute of Technology）所擁有的，後來讓與給大力推行電磁共振技術的WITRICITY CORPORATION這家公司。

 

圖4a  電磁共振方式示意圖（資料來源：日經技術在線）

圖4b  US7741734B示意圖（資料來源：PatBase 專利資料庫）

電場耦合的無線充電方式與「電磁感應方式」及「電磁共振方式」不同，透過相對設置的送電側電極與受電側電極（圖5a），利用兩電極之間產生的感應電場來供電，特點是具有較佳的抗水平錯位能力。圖5b是對應電場耦合方式找到一篇運用此技術進行無線充電的日本專利（JP2012095505A），這是由株式會社村田製作所（Murata Manufacturing Co., Ltd.）申請的。

圖5a  電場耦合方式示意圖（資料來源：日經技術在線）

圖5b  JP2012095505A示意圖（資料來源：PatBase 專利資料庫）

 

上述專利圖示之資料來源都來自於本公司所代理之PatBase 專利資料庫