不一樣的無線充電技術,聊聊WiTricity

  對於無線充電,大家了解得最多的應該是WPC推動的Qi標準,另外還有來自A4WP和PMA的相關標準,然而這幾大聯盟雖然能夠做到無線充電,但由於都是採用電磁感應做到電力傳輸,因此有著各種各樣的制肘。就拿應用最廣的Qi標準來說,在實施無線充電的時候,不但對手機的擺放距離有要求,同時在手機的擺放位置上要求都比較苛刻。就方便應用來說,這種充電方式未免能夠吸引更多的消費者的興趣。

  而美國WiTricity公司早前推出的無線充電技術則可以完全解決這些問題,由於採用了磁共振的無線充電技術,它允許手機離開充電器的一段距離充電,同時對位置要求要沒那麼嚴格,同時還可以同時為多款設備充電。而它能做到的不僅僅是充電。難道這才是無線充電的未來?
  Witricity的前世今生
  代號為「Witricity」的技術最早是由美國MIT助理教授Marin Soljacic發明的,他並在前幾年的美國物理研究所舉行的工業物理論壇上介紹了這一成果,據之前的展示,他們可以達成了透過無線充電的方式點亮兩公尺外的60W燈泡的初步目標。之後該技術相關團隊就從MIT獨立出來成立了同名的Witricity公司。

  不同於Qi等標準的電磁感應式充電,Witricity是以磁場共振的方式來做到無線供電。而做到無線傳輸電力的關鍵在於磁場耦合共振器(Magnetically Coupled Resonator),也就是圖1中左右兩端的線圈裝置,同種的共振器是一對用6毫米銅線纏繞5.25圈,具備電感電容(LC)特性的線圈型天線,其LC共振頻率為9.90MHz。

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  圖1
  這個技術的關鍵在於非輻射性磁耦合的使用。「兩個相同頻率的諧振物體將會產生很強的相互耦合,而只有與遠離諧振環境的物體有較弱的交互,」 Soljacic表示,「正是物理原理做到了非輻射性無線能量的傳輸。」
  目前,磁耦合被用於短距離範圍,以對電池進行充電,如在電子牙刷中,但它要求正在充電的設備非常靠近感應線圈,這是因為磁場能量隨著距離變大會迅速丟失。在傳統的磁感應中,距離只能通過增加磁場強度來增加。

  另一方面,WiTricity使用匹配的諧振天線,可使磁耦合在幾英尺的距離內發生,而不需要增強磁場強度。其它組織則演示了較長距離的射頻無線功率傳輸,但傳輸的功率只有幾微瓦到幾毫瓦。

  演示裝置(圖2)包括直徑約為3英尺的匹配的銅線圈,以及與電源相連的工作頻率在兆赫範圍的傳輸線圈。接收線圈在非輻射性磁場內部發生諧振,並以相同的頻率振蕩,然後有效地利用磁感應來點亮燈泡。

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  圖2
  Soljacic在燈泡演示中讓他的整個設計團隊成員站在發送和接收天線之間,這表明諧振天線甚至其間有有物理存在時也能保持耦合。燈泡繼續發光,而不受障礙物的影響。該團隊聲稱,如果沒有匹配天線產生的諧振,那麼將會有一百萬多倍的能量被用在傳輸線圈中,以做到傳統的非輻射性磁感應。

  MIT的實驗配置如下:
  一對半徑30公分的LC共振器,彼此距離兩公尺,以及在接收端上配置的60瓦燈泡(圖7)。首先,從Colpitts共振器利用電磁誘導將電力送到傳送器的線圈,然後因磁場共振,將電力傳送到接收器的線圈,之後再利用電磁誘導提供電力給電燈而發亮。乍看之下整個系統似乎找不到電容器,但其實是分布於導線中的靜電容量就是電容器。實驗系統的共振頻率約為10MHz,與利用Maxwell方程式所解出來的理論值相當一致。唯一還須進一步說明的是純銅的Q值為2,300,而系統的實際測定值為1,000。目前研究團隊認為這是導線表面氧化所造成的。因為10MHz的高頻將對導線造成集膚效應(Skin Effect),使電流僅在導線表面10微米薄層流過。
  為什麼是電磁共振方式?
  其實電力的無線傳輸是一個很古老的選題,號稱愛迪生一輩子對手的尼古拉特斯拉就窮其一生經歷去研究這項技術,神秘的「通古斯大爆炸」傳言就是特斯拉的實驗災難。

  而我們想進行數公尺到數十公尺的距離內傳送數據,利用最普及的無線網路是最方便的方法,也曾經有人嘗試過。然而事實證明電磁波並不適合來載送能量或電力。

  以廣播接收為例,射頻廣播台的基地台以數十或數百千瓦(kW)大功率朝360度方向發射廣播訊號,但與發射機的功率相比,接收機所能接收到只能用微乎其微來形容,其能量傳輸效率實在太低。

  利用指向性的天線或雷射使電磁波集中朝同一方向發射是一個理論上可行做法,實際上也有人在1968年就提出軌道太陽能發電站(Solar Power Station)的構想,企圖將搭載有巨大太陽能發電系統的人造衛星,以微波的方法傳送到地球的構想。但由於衛星上的傳送器必須不停的追隨接收器,因此實際應用上受到太多局限。

  而MIT選用的方法是共振現象。共振是自然界極為平常的現象,種類繁多。樂器有音響共振,小孩蕩秋千的機械共振,電磁場的共振,核磁氣的共振等。這一些共振共通的特徵,即是能量交換只會發生在振動頻率一樣的兩個物體之間。

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  中學共振實驗用到得共振音叉
  頻率不一致的兩個物體間則不傳遞能量。例如以音響共振來說,假設在房間中置放一百個酒杯,個別注入些許不同數量的液體,使每個不同酒杯有其固定的振動頻率。當有個歌劇的歌手大聲練習發聲的時候,與其聲調相同,也就是振動頻率相同的酒杯,將出現強烈的共鳴,但其它振動頻率不同的酒杯則什麼事也不會發生。

  MIT所運用的方式乃是電磁場共振。具體來說是利用所謂「Evanescent Tail」近接場作為兩個物體間能量傳送的媒介。Evanescent Tail可以視為一種隨著距離急速衰減的電磁場。

  要利用電磁共振理論來進行能量傳送,傳送效率、有效傳送距離、障礙物對於能量傳輸的影響,尤其重要的是對於人類身體是否有不良的影響等等,都須要詳細的實驗與評估。

  MIT的傳送系統,有傳送器與接收器,各自安裝上共振體,並對傳送器注入能量。當傳送器與接收器開始共鳴時,傳送器的能量遞減,接收器逐漸累積。等到傳送器端的能量用盡時,共振也隨之停止。這些能量可以用來驅動機械或對電池充電。

  而為了提高能量的傳送效率,MIT研究小組採用「強耦合區域」這種在自然界也會出現的共振現象。強耦合區域是一種能讓κ/Γ值遠大於一的場合。簡單言之,κ與Γ是決定能量傳送效率的關鍵參數。具體來說,κ定量表示結合強度,Γ是電磁波放射或吸收引起系統能量損失大小的比例量。總之,κ/Γ遠大於一成立的強結合區域,能量傳送速度遠高於損失速度,換句話說,能量的傳送效率就比較高。

  κ的計算式子可以運用耦合模式理論(Coupled-Mode Theory, CMT)來求得近似值。結合模式理論Q值接近於ω/2Γ。

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  κ值越大結合強度越高,能量交換越高。能量損失小就表示Γ值小,也就是說Q值大。Q值與Γ值成反比。

  接著來看傳送距離。κ/Γ遠大於1是MIT團隊的實驗重點,而引發強耦合區域則是做到高能量傳送效率的物理根據。κ/Γ除了是傳送效率的函數,其本身也是距離的函數。當共鳴的兩個物體逐漸拉開距離時,結合度越弱。依據實驗顯示,當κ/Γ小於1時,能量損失將變得非常大(圖3)。

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圖3 κ值與距離的關係
  若是考慮實際應用情境,在進行系統設計時必須花費一番功夫,特別是在傳送器的大小與形狀上,要善加思考。

  其次,來看實際應用時障礙物的影響。此點可以利用Maxwell方程式來解得數值。利用耦合模式理論也可以獲得近似值。

  根據數據計算的結果,即使將傳送器或是接收器等振動體移近牆壁,Q值僅有減少一點,也就是說對於能量損失的影響並不大。即使將傳送器埋入牆壁中間,Q值也僅減少約一半。

  在實際的生活環境當中,障礙物的比介電率的實數值多半很小。比如說,混凝土約為4.5、木材為1.2~5、石英玻璃為4,因此所造成的介電損失非常小。不過也有例外,水就是明顯一例。當傳送器相當接近水時,共鳴的Q值就滑落到正常數值的三分之一左右。但即使如此,就實用的角度來看還是勉強可以接受。
  Witricity的發展現狀
  由於WiTricity的自身特性,其應用領域十分廣泛。比如各種家庭用途或軍事用途機器裝置,電動車、可攜式裝置、醫療儀器、感應器、電氣毛毯或具備暖房功能之裝置等等均有可能。

  而在年初的CES 2013上,WiTricity公司試制並出了使用該公司磁場共振技術的多款無線供電產品,下面讓我們了解一下這個技術的具體應用:
  首先看一下智慧型手機方面,WiTricity開發了小型薄膜狀共振器,展示了將其內置在智慧型手機的電池蓋及機殼中的示例。為了做到共振器的小型化以用在智慧型手機中,WiTricity將供電用頻率設定為6.78MHz。共振器為薄膜狀,因此還可輕鬆嵌入帶有曲面的機殼中,此次該公司展示了在小型藍牙耳機中嵌入共振器的試制機。

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  圖4 中央的透明圓筒中的是支持無線供電的藍牙耳機。展示的系統同時還能為放在圓筒上的智慧型手機充電。

  另外,該公司此次還新開發了可同時為支持業界團體「WPC(wireless power consortium)」推進的標準「Qi」、採用以色列Powermat公司的充電技術、以及配備WiTricity公司技術的3種智慧型手機充電的充電座。用1台充電座做到基於三種不同標準的充電還屬首次。WiTricity公司負責人表示:「將來,多種無線供電標準並存的可能性較高。希望到那時用1台充電座即可對採用這些標準的各種設備充電。」

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  圖5:據稱可同時為Qi標準、Powermat技術及WiTricity技術3種技術的智慧型手機充電。

  而在電視機方面,WiTricity利用其開發的系統為三星電子的電視機供電、驅動其工作,使用的是250kHz這一更低的頻率。該試制機送電側與受電側的距離為50cm 左右,但可通過改變共振器的尺寸進一步延長傳輸距離。

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  圖6:試制的電視機無線充電系統。從下部無線供電,驅動了電視機。

  此外,WiTricity還展示了在5號電池中嵌入薄膜狀共振器進行充電的概念產品。

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  圖7:試制的能夠為5號電池無線供電的概念產品。

  另外還有只需將數位相機及遙控器等多種便攜終端放入其中即可為其充電的「充電箱」。這兩款概念產品使用的頻率也是250kHz。

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  圖8: 展示了同時為電池、遙控器及數位相機進行非接觸充電的「充電箱」概念產品。

  另外還有WiTricity和日本阿爾卑斯電氣的最新合作的無線供電系統,這是由一個使用大線圈的送電裝置和兩個手掌大小的受電裝置構成的系統,可同時向兩個受電裝置供電。

  阿爾卑斯電氣介紹稱,「從受電裝置可離開送電裝置這一點來看,磁共振方式大幅擴大了無線電力傳輸的應用範圍」。

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  圖9:參考展出的磁共振式無線供電系統
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  圖10:向機器人的機械臂供電。送、受電線圈相隔80mm以上。正在供應5W的電力。

  寫在最後:
  關於無線充電,需要考慮的不僅僅是充電效率和範圍的問題,有時候還得考慮所謂的無線充電是否會對人生造成傷害的問題,而團隊當時也做過相關實驗。

  團隊主管者利用在他辦公室內負責整理書籍的機器人來模擬人體。在這個實驗中,MIT團隊依然是以高介電體的磁盤來當作傳送接收器。傳送器安置在天花板的中央位置,接收器安裝在機器人上,機器人會來回走動。房間是立方體,床、牆壁與天花板都是相同的材質。傳送器的形狀與輸出,制約少彈性大,傳送器內部的能量損失暫不考慮,重點在接收端的能量損失。

  首先,利用電磁波主體對機器人傳送電力,結果發現機器人相對於辦公室來說小很多,僅能接收微小部分。利用高介電體的磁盤間的共振,機器人走到房間中央時,距離最短,接收電力最大,而機器人走到房間角落時,接收電力較小。若將機器人當成人類來計算模擬時,人類所吸收的能量非常微小,只會造成些許微溫,這是電場在人類皮膚表面引起的焦耳熱。

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  圖11:使用LC共振器的無線電力傳送系統
  然而,即使溫度再如何微小,都有潛在性的危險,也因此才必須採用磁場共振系統,例如LC共振器,而非高介電體磁盤來做到無線電力傳輸(圖6)。使用LC線圈的最大好處就在於在LC線圈的外部的能量幾乎全是磁場能量,而磁場在人類的生活空間中隨處可見,對人體造成影響程度很小。例如醫學上所使用的核磁共振攝影(Magnetic Resonance Imaging, MRI)檢查裝置,對人類身體的所發射的磁場強度就非常強,其它還有線性馬達、甚至是磁力漂浮式的床等等,也都會在人類的生活環境中造成強烈的磁場,但事實證明這些磁場對人體並不會造成健康上的疑慮。

  利用數值計算磁場共振的結果,該LC共振器的Q值在回路半徑30公分的場合約4,000。共振的頻率為9MHz,換算成波長為33公尺。當兩者距離1.5公尺時,能量傳送效率達90%。若是3公尺遠,傳送效率達45%,κ/Γ大於1。

  若是將LC共振器使用於前述模擬的辦公室房間時,假設傳送器使用的LC共振器半徑為1公尺,並安置在離床3公尺高的天花板上,接上10MHz的交流電源。而接收端側的共振器半徑則為30公分,Q值為1,000左右。在此狀況下,電力的傳送效率與使用高介電率的碟盤相同的程度,但人體的吸收能量幾乎是零,因此對人類而言安全許多。

  因此,我們期待著無線充電的又一次新突破,那麼在這塊上的大範圍推廣就指日可待了。

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