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物聯網無線充電技術發展概況
ITIS智網林松耀
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一、 物聯網加速無線充電技術發展

近年來隨著物聯網的蓬勃發展,各式各樣的電子裝置應運而生,應用場域包含智慧家庭、智能穿載裝置、智慧車載系統、智慧製造工廠、智慧城市與醫院,但眾多的電子裝置,都標榜著智慧化的功能,可以無線傳輸資料,亦可以作超強的功能運算,但卻也都面臨了電力持續供應的問題,例如,當要使用Fitbit時,卻發現電力幾乎快沒了,手機沒電要充電時,一堆打結的充電線中卻不知道哪一條才是對的,放在高處的網路攝影機不曉得還有沒有電等等(如圖一),因此,打造物聯網環境的無線充電技術,實為健全物聯網產業發展不可忽視之一環。

二、各種無線充電技術蓬勃發展

根據市場調查機構IHS表示,全球無線充電市場規模將由2015年的17億美元,快速成長至2020年的126億美元(如圖二),顯示出無線充電市場驚人的成長潛力。2015年以Qualcommintel為首之A4WPAT&TDuracell為首之PMA合併為AirFuel Alliance無線充電標準組織,與WPC形成兩大標準組織分庭抗禮之狀態,而無線充電產業標準的日漸統合,亦有助於整體產業之健全發展,儘管目前無限充電技術主要仍以電磁感應式為主,如Samsung Note 6的充電盤、Apple Watch充電座,都是利用此磁感應(Magnetic Induction)方式來充電,其主要優點是成本低廉,電力使用率高(70%),但缺點是充電有效距離短、充電角度與方向限制多、無法多裝置同時充電,因此,目前磁感應充電方式之裝置,多使用在極短距離之充電環境下,無法真正做到隨時隨地無線充電的境界,隨著物聯網各種電子裝置的不同電力需求,適合搭配的充電技術也不同,以下介紹其主要技術及發展廠商。

(一)         磁共振(Magnetic Resonance)方式

利用發送端與接收端達到特定頻率,讓雙方形成磁場共振現象,透過這種方式達到能量傳輸的目的,相較於磁感應,磁共振效率較好,約可達到75%傳輸效率,應用距離也較遠,因此,磁共振技術成為WPCAirFuel Alliance兩大聯盟積極發展之技術,磁共振技術的主要優點在於傳輸功率較高,終端電子產品可達50~100W輸出,商用領域亦可達到1,000W以上的輸出功率,但缺點是成本較高,且共振頻率會影響傳輸效率。磁共振無線充電方式採用之廠商包含QualcommWiTricitySony…等等,正由於磁共振方式可達到較高功率應用之特性,因此積極發展磁共振無線充電技術的Qualcomm,更以Qualcomm Halo™作為進軍車用無線供電系統的商標,而另一來自MIT技術之WiTricity公司,其技術授權客戶包括intelMediaTek以及Toyota,而ToyotaPlug-in Hybrid採用無線充電模組,即是採用磁共振技術。

 

(二)         無線電波(Radio Frequency)方式

該技術是透過RF射頻原理,將電力透過無線電波的方式傳導,接收端則透過天線接收無線電波,並將其轉換為電力。該技術優點是成本低,且可讓射頻範圍內的多個裝置同時充電,但缺點是無線射頻傳輸若無方向性傳輸效率比較差,加上傳輸功率較低,只適合用於耗電量較低的電子裝置,目前主要發展此技術之廠商有EnergousOssiaPowercast

1.     Energous

20169月,Apple宣布與Energous無線充電技術公司合作,發展不同於一般磁感應式之無線充電技術,Energous旗下產品WattUp基於一系列的混合無線電頻率、藍牙和其他專利技術(2.4/5.8 GHz),其發射器能夠通過低功耗藍牙和周邊相容設備通訊和定位,一旦連接,發射器就可以發射頻率和 Wi-Fi 信號一致的集中射頻訊號,發射器藉由把電流轉換成無線電波在空間中傳輸,接收器通過Wi-Fi和低功耗藍牙(Bluetooth LE)定位設備位置並與發送器連接,再將無線電波轉換成直流電能,隨時隨地為行動裝置充電,WattUp充電範圍最廣可達到約4.5公尺(15),而一個發送器可以同時在4.5米距離內為四個待充設備提供2瓦特功率的電力傳輸,而耗時僅為傳統接線充電的一半。

2.    Ossia

Ossiaintel創投旗下的無線充電公司,其產品Cota內裝有2.4 GHz RF radio接收器與傳送器(如圖三),在30呎的有效範圍內,可自動追蹤發射器之位置,提供靜止或移動的電子裝置任意方向式的充電功能(1W),並可提供多裝置同時充電之功能,其最新產品更訴求無需另外加裝天線,利用已存在之Wi-FiBluetooth天線,即可進行充電,以及如同程式設定般控制與管理各充電裝置,目前廣泛使用於電子標籤、穿戴與物聯網裝置等。

(三)         光能量方式(Light Energy)

1.    Laser Motive

其產品的工作原理很像太陽能發電,太陽光照射在太陽能電池(PV)而發電,而Laser Motive則使用Laser激光器通過空氣或光纖電纜,將集中光束發送到將光轉換成電的遠程接收器,將雷射光轉換成電能,與太陽能的主要區別在於,Laser Motive是使用高強度Laser而雷射光能量比太陽強得多,它可以瞄準任何地方,並且可以操作24 hr /天。Laser Motive利用雷射光來傳遞能量,其最遠可達10KM之距離,目前主要用於點對點的能量傳輸,如山上的通訊中繼塔、海水底下之感測器、無人機用途、軍式地區或油田之電子裝備、火箭太空梭之電力供給等等特殊環境之狀況,以達到具備經濟性、安全性的電力供給方式。

2.    Wi Charge

Wi Charge利用紅外線(Infrared RayIR)方式提供充電功能,其充電功率可達10W、有效距離為15呎,由於非利用電磁效應原理,故沒有電磁輻射波之危害,可保障人員之健康安全。目前,Wi-Charge的發射器模組尺寸約為17x17(mm),未來將致力於將尺寸縮減至10x10(mm)以下,並將可充電距離延伸至30(9公尺),使其能涵蓋一般室內空間的所有範圍,以搶攻智慧家庭商機。目前其目標市場包含Beacon、電子標籤、穿戴裝置、網路攝影機、煙霧偵測器、溫控器、電子儀表等等。

三、結論

臺灣擁有完整的無線充電相關零組件產業供應鏈,包含電子IC控制晶片的聯發科、立錡、茂達、新唐、盛群、凌通、迅杰,磁心與電感產品之奇力新、美磊、千如、鈞寶、百泉,無線充電組裝的群光、力銘、佑驊等等,但因營運規模相對於國際大廠為小,大多跟隨國際大廠所制定的規格標準與研發方向來繼續發展,包含加入WPCAirFuel Alliance兩大無線充電標準聯盟,以及技術發展以磁感應與磁共振為主。未來數年,隨著物聯網技術的發展,愈來愈多的電子裝置應用出現在我們生活週遭的各個地方,而電力的維持與監控一直困擾著我們,尤其最近SAMSUNG Note 7 電池爆炸事件,讓人們更加重視電子裝置電力使用的安全性問題,而無線充電相關技術中,包含磁場效應、RF射頻等對人體的影響程度為何,以及充電時的安全問題,都將影響著人們對於無線電產品的接受程度。物聯網電子裝置通常不像電動車需要特別大的功率要求,因此藉由各種無線充電技術的發展,可達到擺脫有形充電線路的束縛,但以目前而言,為兼顧到價格與效率因素考量,磁感應式無線充電,仍是目前最主要之無線充電技術,未來亦將可提供磁感應與磁共振雙模充電方式,提供使用者更加多元、完整與便利的充電方式,其它充電方式,包含RF射頻與光能量則是扮演互補技術的角色,可以滿足物聯網不同使用情境的需求,未來,當使用者對充電距離與充電管理要求愈來愈高時,亦將刺激其它充電方式更多的發展空間。

(本文作者為工研院IEK執行產業技術前瞻研究與知識服務計畫產業分析師)

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