無線充電技術要在2017年大放異彩？

由美國麻省理工學院（MIT）獨立出來的WiTricity現任總裁EricGiler，曾在2009年曾于TED發(fā)表題為「無線電力技術示范」的精彩演說，展示了如何利用無線電源傳輸技術啟動一部小型電視機──而那是2009年，該技術從那之后持續(xù)演進，以下讓我們來看看這個令人驚嘆的技術領域，能為設計工程師帶來什么樣的新機會。

最近，我與宜普電源轉換公司（EPC）應用工程副總裁Michael de Rooij討論關于無線電源在2017年的挑戰(zhàn)和機會；我選擇與de Rooij討論這個議題，除了因為EPC是氮化鎵（GaN）功率組件的領導供貨商，該公司也能為設計工程師們提供包括開發(fā)板、參考設計以及教育性的支持，包括de Rooij撰寫的《無線電源手冊（Handbook for Wireless Power）》。

EPC在1月初舉行的年度國際消費性電子展（CES 2017）上，展示了一部43吋平面HDTV，那臺電視能隔著一道石膏板墻，藉由無線電源取得電力；在2017年，你將會看到EPC為業(yè)界帶來更先進的無線電源相關解決方案，超越2009年Giler所展示的技術。

支持更長傳輸距離的無線電源

我詢問de Rooij有關目前無線充電方案支持更長傳輸距離、更高效率時會遭遇的限制，以及其可能性；我們如何讓這種電力傳輸技術的效率達到所有消費者都能接受的水平？氮化鎵功率組件（如EPC的eGaN技術）如何能繼續(xù)協助推動無線電源技術的進展？

de Rooij首先提到在線圈（coil）設計方面的限制；根據經驗法則，目前若線圈是7吋以上的直徑，性能就會下降；此外每一組線圈的質量因子（Q）和線圈之間的耦合系數（k）都會影響長距離的無線充電效率，發(fā)射與接收線圈的尺寸和幾何形狀各自都會大幅影響Q和k的數值。圖1是無線電源傳輸的基本原理。

圖1 無線電源傳輸的基本原理。（圖片來源：Würth Elektronik）

de Rooij提到，無線電源傳輸的電磁場（E-field）方法雖然有技術上的問題，但是可以長距離傳輸電力──這方面可能還有部份一般會顧慮到的問題，包括產生臭氧（ozone）還有與生物性等其他物質產生交互作用）；這種充電方法可能更適用能懸浮在充電板上的裝置，如無人機。

電場耦合技術最直接的展現，是在源極（source）和負載（load）之間采用平行板電容器（parallel plate capacitor），輸入阻抗需與之匹配，才能實現高效率電源傳輸；也就是說，有一片板子是放在待充電的無人機底部，另一片就是在充電板上（如圖2）。

圖2 （a）無線電源傳輸電場耦合架構；（b）電路模型。（圖片來源：https://goo.gl/HRZf11）

以磁共振耦合（magnetic resonant coupling）技術對空中懸浮的無人機進行充電也是不錯的替代方案，如圖 3所示，該充電板的線圈采用方形設計，無人機上的接收線圈調整為適合支持著陸（landing），使發(fā)射和接收線圈之間的距離縮至最短，約只有幾公厘（mm），因此使線圈之間的耦合因子得以最大化。

圖3 以磁共振耦合線圈為懸浮的無人機進行無線充電。（圖片來源：https://goo.gl/HRZf11）

無線電源傳輸線圈技術的現在與未來發(fā)展

de Rooij表示，無線充電解決方案供貨商NuCurrent目前正在開發(fā)效率更高的無線充電線圈；Nucurrent號稱該公司目前的無線電源「天線」效率高于市面上任何印刷天線/線圈/共振器，其采用Qi/PMA頻率（~200KHz）的設計通?？蛇_到高20%以上的效率，采用A4WP頻率（6.78MHz）或NFC頻率（13.56MHz）的設計則可達到高60%的效率。

若將無線電源傳輸線圈嵌入地磚中，有助于電場的分布，并可能因此略為拉長電源傳輸距離；但更重要的是，這樣就可以大幅擴增收集電力的范圍──相較于單一線圈的設計，在相同的覆蓋范圍下，這是一個效率更高的解決方案。

而EPC在CES 2017展示的那臺無線供電HDTV，是我到目前為止見過最厲害的無線電源傳輸應用；此外咖啡連鎖店Starbucks現在也有某些門市在店內座位提供無線充電裝置，讓顧客能為智能型手機充電，如果你的手機沒有內建無線充電功能，他們還可以賣轉接器給你（如圖4）。

圖4 Powermat的無線充電解決方案已經獲得Starbucks等業(yè)者采用。（圖片來源：Powermat）

無線電源傳輸可望實現更便利的日常生活

采用無線電源傳輸技術的無人機，對Amazon、UPS及Federal Express等物流業(yè)者來說會非常有用，他們都在考慮利用無人機送貨。

在醫(yī)療應用方面，目前采用穿透皮膚之電源線的植入式裝置，可利用無線電源傳輸技術降低患者受感染的機會，神經刺激器、心臟輔助幫浦等是首選應用；心律調整器以及脊髓、神經刺激器都有望在某一天，能于患者睡覺時透過4~5英呎距離的電源進行充電。

從患者端接收訊號的線圈數量可以增加，以利用無線電源傳輸技術取得更高質量的MRI成像，同時降低成本、免除電源線的使用并降低使用無線電源傳輸技術的復雜性。

酒吧、咖啡廳及機場則可將無線電源傳輸設備應用于下一代的各種家具、桌子設計中；如此一來，所有的墻壁、地板與裝潢可以減少電源插座數量，甚至可以完全不要插座。

汽車內部搭載的電纜不但昂貴、笨重也可能不可靠，而無線電源傳輸技術可以為車用照明、音響、電話等設備供電，也能支持電動車充電、啟動雷達及光達等裝置，讓汽車內更多電子裝置擺脫銅線的羈絆；無線充電也能應用于汽車座椅、車門及行李箱等區(qū)域，以模塊化方案取代客制化設計架構，簡化汽車制造流程。

此外，無線電源傳輸還能預防由危險的電源火花導致之爆炸、火災，特別是在加油站、水下，或是滿氧氣的空間，海濱住宅/設施，以及糧倉等充滿粉塵的環(huán)境。

有一天，高壓電纜線可能會完全消失，被日常生活無所不在的高壓無線電源傳輸技術替代；de Rooij也透露，在今年將可看到更多關于無線電源傳輸技術的創(chuàng)新成果，電子及電力系統的設計終將憑借這種令人驚嘆的新興技術而被永遠改變。