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无线充电异军突起红外线无线充电
 

【作者: 盧傑瑞】2018年01月30日 星期二

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根据市调机构IHS iSuppli统计,2013年无线充电市场规模仅约2亿美元,但未来4年将呈40倍成长,2018年达到80亿美元。而全球无线充电接收器及发送器市场,可??从2013年的2,500万个成长到2023年的17亿个。目前全球包括的WPC(Wireless Power Consortium),PMA(Power Matters Alliance),以及A4WP(Alliance for Wireless Power)的三大无线充电阵营,正积极的各显所能,企图在这个80亿美元的市场占得一席之地。其中,A4WP主要是由英特尔、高通、三星带头成立。但是,目前无线充电尚未普及,不仅仅是技术上的问题,其中更包含了台面下的政治因素。


目前无线充电主流的技术有磁共振及磁感应两种,但是仍有当多问题需要克服,例如,如何支援不同阵营之间传送器的问题,因此有部分业者要求,提供WPC的Qi加上PMA磁感应标准的无线充电发射器及接收器。


此外,阵营之间也开始展开合纵连横的策略联盟,就像PMA在2014年1月与第三个无线充电阵营A4WP签订合作备忘录,透过A4WP的共振式充电技术,补足WPC只有磁感应技术的不足。


电流磁效应存在影响健康疑虑

但是,由於大多的无线充电,大多都是利用线圈的电流磁效应产生磁场,再透过电子产品内的线圈产生感应电流,再将电流接续至电池的原理来产生电力。


但是由於利用发送电磁产生效应的方式,一直让市场上出现会对健康产生影响疑虑,并且为了不会对於健康产生任何影响,目前各无线充电装置的研发人员,都会将所发送出来的磁场能量减至最低,在传送距离方面,仅仅几毫米到几十公分,如此一来,却又大大限缩了无线充电可以随时随地充电的期待性,只能将支援电流磁效应充电的电子产品,摆置在特定的机构上进行充电,而无法达到随时随地的理想。因此,除了电流磁效应充电技术之外,全球的工程师也都竭尽所能的开发更新、更安全、更方便的无线充电技术。


红外线波长的应用,不仅仅可以作为通讯、农业栽植、医疗、监视照明,现在还已经发展出可以用来作为电子产品的充电介质。以色列Wi-Charge在3年前取得专利之後,便开始向全世界发表利用红外线来进行充电的技术,不仅仅为充电这个动作带来更多便利性,并且也达到了更加安全的充电方式。


Wi-Charge只有单纯的利用了传送器(Transmitter)与接收器(Receiver)这两个单元结构,再加上太阳能充电的概念,就可以在连接上传统的AC?DC电源或者是USB,就可以达到100平方米的范围内,都够在使用单一个传送器(Transmitter)下,提供无线充电的能力。而接收器(Receiver) 的部分,则是需要内建在各个电子产品的机构设计内,或者是设计成手机的保护套,然後再透过Micro-USB或Lightning标准的连接器,让Android以及iPhone手机进行充电(图1)。



图1 : 透过红外线与发电单元可以消除电磁波充电的健康疑虑(source:Wi-Charge)
图1 : 透过红外线与发电单元可以消除电磁波充电的健康疑虑(source:Wi-Charge)

红外线无线充电传送距离长达10公尺

当内建有该接收器机制的电子产品进入到传送器的涵盖范围内时,传送器能够自动辨识并且配对连接,而传送距离长达10公尺。当完成识别之後,传送器就会发送出特定波长的红外线。而接收器在接受来自传送器所发送的红外线,并且利用内建的太阳能模组来进行发电,达到不需要线缆的无线充电。


由於传送器是必须发现以及成功辨识接收器的存在,才会对该特定角度发出红外线,所以并不会有电力浪费的情况发生。而当电子产品的电池充电达到满载时,接收器就会停止充电的动作,不至於发生过度充电的情况。此外,当该区域内有数个支援Wi-Charge的电子设备或产品,也都能够藉由该单一传送器,进行同时充电。


Wi-Charge是利用LED和反射镜的原理,让红外线形成类似雷射光束,再透过接收器上的发电单元和电源电路,来产生电子产品或电池所需要电力(图2)。具体而言是,利用2片反射镜包围着LED,从LED所放射出来的光子,透过2片镜子的重复反射,形成较窄的光束(为奈米光束)(图3)。



图2 : 从LED所放射出来的光子,透过2片镜子的重复反射。(source:Wi-Charge)
图2 : 从LED所放射出来的光子,透过2片镜子的重复反射。(source:Wi-Charge)

图3 : 让LED所放射出来的光子形成较窄的奈米光束(source:Wi-Charge)
图3 : 让LED所放射出来的光子形成较窄的奈米光束(source:Wi-Charge)

之後,光束再透过一片半透明的反射镜,来形成类似雷射的光束,再利用这些类似雷射的光束,照射在接收器的发电单元上进而产生电力(图4)。



图4 : 透过一片半透明的反射镜,来形成类似雷射的光束,进而让接收器产生电力(source:Wi-Charge)
图4 : 透过一片半透明的反射镜,来形成类似雷射的光束,进而让接收器产生电力(source:Wi-Charge)

不过,如果只是单纯的利用这样的原理会出现一些问题,那就是这些类似雷射的光束如果没有直接照射在接收器上的话,就会出现发电无效的状态,因此会产生受限於传送器和接收器彼此间相对角度的缺点。


因此,对於这样的问题点,Wi-Charge有2个改善的方式,第一是在机构上又多加了一片半透明的镜子,来扩大光束的宽度,但是这仅仅能扩大部分发送宽度,当在处於平行相对位置的传送器与接收器中间,暂时出现障碍物的话,还是会有遮挡住红外线的行进路线(图5),而无法持续产生电力。


第二,更进一步的,Wi-Charge将传送器和接收器所使用的镜片的反射面改为具有曲面型态,透过这些曲面的镜片,就能够再一次的扩大传送角度和接收的角度,而不受限必须传送器和接收器处在平行的位置才能够进行发电。



图5 : 当传送器与接收器中间,出现障碍物的话,会出现无法续持续发电的缺点。(source:Wi-Charge)
图5 : 当传送器与接收器中间,出现障碍物的话,会出现无法续持续发电的缺点。(source:Wi-Charge)

透过这样的改善,让此一技术的使用者,只要一进入传送器的涵盖范围後,就能够立即让支援此一技术的电子产品开始进行充电(图6)。



图6 : 透过这样的改善可以让使用者无需考虑角度问题,在毫无麻烦下,让电子产品自动充电。(source:Wi-Charge)
图6 : 透过这样的改善可以让使用者无需考虑角度问题,在毫无麻烦下,让电子产品自动充电。(source:Wi-Charge)

家中安装了红外线充电的传送器时,当回到家之後,只要把支援Wi-Charge充电的手机或电子产品随意一放,就可以自动进行充电,根本无须在意手机或电子产品的摆放角度。


与前述电流磁效应充电所不同的是,由於Wi-Charge并非是使用磁场效应,因此就不存在电磁波对健康伤害的疑虑,而是遵循着雷射产品的国际安全规范「IEC 60825-1」中第一级的标准而开发。此外,如果使用者将手或身体覆盖在接收器上的话,机构也会自动停止充电的动作,这也体现了另一层次的充电安全性。


根据光学领域的资料,红外线的范围占了太阳光光谱的50%,也是属於自然光的一种,因此根据分析研究,红外线的安全性比高频高了500倍,更比超音波高出了3000倍。


因为是红外线领域,无须取得FCC的许可

目前,Wi-Charge将此一技术应用在LED灯泡之中,在灯泡内安装「分布式共振器」,就可以像Wi-Fi一样,在10公尺内收到讯号都可以充电,有点类似遥控器的红外线,只不过强度高上百倍。只要在Wi-Charge传送器的范围内,无论是在使用中或是待机状态,便能自动且持续地接收来自灯泡中的红外线,而在灯泡内安装Wi-Charge系统,就像更换灯泡一样简单,充电速度甚至可达到一般的充电器速度。目前,Wi-Charge的发射器模组尺寸约为17mmx17mm,未来将计画把尺寸缩减至10 mm平方以下。


Wi-Charge利用这项技术所开发的产品,已经获得美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration, FDA)的核准,这表示该产品距离上市更近了一步。Wi-Charge的创始人之一莫尔(Ori Mor)表示,基於历史原因,在美国与红外线相关的装置是由FDA审核,而非联邦通信委员会(Federal Communications Commission, FCC)。而采用电流磁效应的无线充电,并非是红外线领域,这样就必须取得FCC的许可。而电流磁效应的无线充电比Wi-Fi和蓝牙,需要消耗更多电力,所以要达到FCC的要求相信是蛮较困难的。预计在今年就会有第一代产品上市。


每个传送器可以在10公尺的范围内对数个终端设备配对,并且可以传输高达3W的功率,足以为智慧型手机充电。Wi-Charge在市场布局的方面,计画将从商用公共场所开始,例如在咖啡馆这样的公共场所当中,部署多个发射器,以保持对所有客户的设备充电,从而免去使用杂乱的电线进行充电。


然而,如果发射机和接收机连接中断,系统将需要一些时间来重新配对并且锁定,当然电源效率或许不如线缆或者电池更好,但优点是用户无需在特定的位置为设备充电。将来,用户可以使用其技术来无线为家庭安全摄影机等设备供电。


Wi-Charge获得CES2018最隹创新奖

在2018年,Wi-Charge在CES展览会现场展示了3款Wi-Charge传送器产品,从外观看起来,这3款Wi-Charge传送器是再普通不过的LED照明产品(图7),但是如果把这款看起来相当普通的照明灯具安装在天花板上,并且将支援Wi-Charge技术的手机、笔记型电脑或电子产品靠近其光罩范围内,马上就可以发现手机或电子产品开始自动充电,此时这3款照明灯具摇身一变立刻成为无线充电的电力传送主角。


此外,Wi-Charge在现场也将接收器装在小火车上,而不断行进的小火车就是接收来自LED灯具上的红外线而产生电力,只要当手放在小火车上方,遮住来自LED灯具上的红外线,小火车就会马上停下来(图8)。Wi-Charge更以这项技术获得CES2018的最隹创新奖。



图7 : Wi-Charge在展览会现场展示了3款内建传送器的LED照明灯具(source:iPhone Mania)
图7 : Wi-Charge在展览会现场展示了3款内建传送器的LED照明灯具(source:iPhone Mania)

图8 : 当手放在小火车上方,遮住来自LED灯具上的红外线,小火车就会马上停下来。(source:iPhone Mania)
图8 : 当手放在小火车上方,遮住来自LED灯具上的红外线,小火车就会马上停下来。(source:iPhone Mania)
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