无线充电的起源
电力是推动人类文明发展的巨大要素,影响人们的生活甚巨。方便、快速、随时的电力供应,是科技不断发展的方向,从19世纪,尼古拉·特斯拉发明了特斯拉线圈后,便开启了无线充电的科技大门,至今,无线充电技术已经大规模应用到了周遭的电子设备,例如手机、穿戴式设备、电动牙刷、车用电子。
打从第一支智慧型手机iPhone问世以来至今,智慧型手机的技术日新月异的发展,每年智慧型手机的效能都不断的翻新,但相比智慧型手机发展的速度,电池的则缓慢许多,可以说是停滞不前。
当效能越强越耗电,但是电池技术跟不上时,造成了手机电量续航力不断往下滑的窘境,于是智慧型手机厂寻求无线充电技术的发展,从方便充电的角度切入,缓解智慧型手机电力不耐用的问题。
因为智慧型手机具有普遍性,所以当智慧型手机开始搭载无线充电技术后,无线充电于普及性以及科技能力上也飞速的发展了起来。现今,约有将近10%,近10亿手机搭载有无线充电,初期搭载仅有5瓦的传输效率也逐年提升至大功率千瓦等级的电动车。
无线充电的原理
生活常见的无线充电,主要透过「电流磁效应」跟「电磁感应」,来满足人们方便充电的需求。
「电流磁效应」-1819年,丹麦科学家厄斯特观察到一段导线上如果进行通电,拥有电流,导线的四周将会产生磁场,使指北针偏转。之后的科学家进一步发现,如果将导线围成环状,甚至绕成线圈,将会产生更强的磁场将会更强、更集中,这称为「电流磁效应」。
「电磁感应」-1831年,英国物理学家法拉第发现,当一块磁铁或其他的磁场来源靠近一段没有电流的线圈,线圈就会产生「电磁感应」。电磁感应的成立条件为磁场要有变化,例如磁场调整远近。若外部磁场若是一直保持不变,则不会产生感应电流。
综合以上,透过电流在四周流动所产生磁场的「电流磁效应」,搭配不断变化的外部磁场使线圈产生电力的「电磁感应」,简单来说,就是「电生磁,磁生电」,同时运用这两种物理现象,就可以进行无线充电。
因此,进行无线充电时,需要两种对应,充电座与充电装置。充电座里面是紧密缠绕的线圈,当充电座的插座接上电时,线圈的周围因为「电流磁效应」而产生磁场,此时需要充电的充电装置(EX:手机、平板),里面也有紧密缠绕的线圈,当充电装置靠近充电座时,充电座的磁场因为「电磁感应」,在充电装置的线圈上产生感应电流,感应电流传导到电池,随即达成了无线充电的需求。
上面提到「电磁感应」的成立条件为磁场要有变化,例如磁场调整远近,充电装置静放在充电座上,理当「电磁感应」应该无法成立。因为常见的用电方式为交流电,电流方向不断的变化,使得「电流磁效应」所产生的磁场不断的变化,进而符合了「电磁感应」的成立条件。
透过「电流磁效应」跟「电磁感应」而产生的无线充电,还是有需要突破的技术困境。
首先是充电距离,如同两块相吸的磁铁,距离越远,彼此的牵引越小,因此目前市面上符合规范的无线充电距离都很近,最新的技术只不过4~5公分左右,有些无线充电,隔着手机壳的厚度就无法充电,而需要裸机,违背了使用者的操作习惯。
为了提升无线充电的距离与效率,目前技术上尝试透过「磁共振」的原理进行无线充电。
「共振」-物品有自己的发声频率,当物品振动发声时,附近有相同发声频率的物品,在没有受到敲击的情况下,也会跟着振动,这样的共振也完成了能量的传递。
「磁共振」透过「谐振电路」产生共振。当在电路中加入电容、电感等特殊的元件,适当的连接后将会形成「谐振电路」,对谐振电路进行通电,电路中也会产生持续的信号,当两个振动频率相同的谐振电路放在一起,其中一个开始因为通电而震荡时,另一个电路也会因为共振跟着震荡起来,进而产生电流,达到电能隔空传送,可以让充电距离提升到数公尺且提升充电效率。
接着是安全性,因为无线充电会有部分的能量耗损将会转化为热能,如果周遭有容易热传导的物质,例如金属手机壳,则更容易有发热发烫的问题,且金属还有出色的电磁波遮蔽性,因此无线充电的手机背板多采用非金属材质。
无线充电的适用性
「理想很丰满,现实很骨感」,虽然无线充电以方便充电为出发点导入智慧型手机,但目前无线充电技术应用在智慧型手机时,还是有需要面对的现实。
一般用户期待的无线充电,应该要像是wifi般,走到哪里充电哪里,而非需要置放在某个地方,加上充电效率低于有线充电,更需要长时间的置放等待。有线充电还能在线长的范围内边充电边使用,但智慧型手机在进行无线充电时,范围则限缩了许多,因此使用无线充电,更需要例如破碎的时间进行充电。
同时,购买智慧型手机鲜少赠送无线充电装置,用户需要额外购买,如果将办公室、客厅、卧房..等多个可能的充电场景都思考进去,则需要购买多个无线充电装置,但无线充电可以减少充电头插拔的消耗,也算是降低了些许的隐形成本。
现今生活上,手机无线充电除了以充电方便为导向之外,无线充电的使用,也提供了科技贵族、时尚的身分匹配,无线充电装置多样、科技感的造型,吸引了不少时下追求潮流的年轻人使用。
无线充电技术应用在智慧型手机上时适用性还在进步,但在智慧型手机走入无线充电领域之前,其他的3C产品早已经导入了无线充电技术,因为无线充电在其他3C产品,拥有更高的适用性。
例如电动牙刷, 因为长期处在潮湿的环境中,需要具备防水防潮的特性,无线充电技术使得这些经常接触水的3C产品在设计上,可以达到高强度一体化的密封,提升产品外观的美感、精品化与防水防尘等级,延长的产品的耐用度。低使用频率,高置放充电时间的产品特性,也切合的无线充电的特性。
虽然无线充电应用在智慧型手机时,看似缺点多多,但当使用场景从居家、办公转移到车驾,当无线充电变为车用无线充电,无线充电与车用电子的适用性则大幅飞跃。
车用无线充电 vs 生活用无线充电
汽车较3C消费性电子产品,需要面临较复杂且极端的使用环境,除了炎热的赤道到寒冷的俄罗斯,还要面临车辆行驶过程中,来自于颠颇、加速、急煞等机械冲击..等长时间的振动和冲击。
同时,车用无线充电的使用年限,也较生活用无线充电长寿许多。因为汽车的使用时期长,且原厂配备的车用无线充电,也包含在全车保固内,所以车用无线充电的耐用性,也在汽车制造商的考量范围内。
因此,车用无线充电的可靠性测试,包含功能试验、环境试验、机械试验,针对高低温等极端环境和电气性能试验,比起生活用无线充电,还要严格许多。
生活中的无线充电情境,多处于安定平稳的状态,所以不需要太大的充电范围,多采单线圈技术,但汽车行驶的过程中晃动且摇摆,且驾驶也未必能分心的精准置放,所以车用无线充电使用考量上,除了采用多线圈的大充电范围的规格外,夹式、凹槽、杯架…等,也是常见的工业设计,搭配LED等外观,更能提升车内整体内装的质感。
车用无线充电,可能会让车内部分搭载的科技运作受到影响,像是智慧锁(Keyless)这项技术就会和无线充电互相冲突,导致智慧锁(Keyless)受干扰而无法启动车辆,可在无线充电板加入智慧锁(Keyless)防干扰技术,兼容原车设计。
车用无线充电除了更耐用、安全,具备人因设计之外,透过车驾过程无法使用手机的特性,符合无线充电低使用频率,高置放充电时间的产品特性,即使想要使用手机进行导航,也可以透过相关的车用电子技术,让手机同时处于无线充电与导航的两种状态。
UniMax的车用无线充电板,WPC Qi标准,FOD,无钥匙防干扰功能。
现今车用大厂的配备趋势,走向提供充电无线化的方向前进,除了可以让用户减少车上的线材,给予用户更好的车驾环境之外,降低充电孔拔插之间的硬体消耗,也能减轻车厂与用户后续的维护成本。
无线充电与车用电子的适用性可说是相当高。
车用无线充电相关应用
比起生活用的无线充电,车用的无线充电因为周遭车用电子的加持,更能与高科技技术整合。
使用情境想像:
将CAN bus、NFC连结与识别等高科技技术整合至无线充电板,透过CAN bus的连结,可将充电状态显示于仪表板、车机当中,让驾驶车驾的过程,就能轻松掌握充电状态;串联NFC连结与识别让,让用户能够透过手机的NFC感应,达到多种应用。
过往汽车与手机蓝芽进行配对,需要多道步骤才能完成,但当手机进行无线充电时,透过NFC的感应技术,可以让驾驶开始无线充电的同时,手机将自动与汽车完成蓝芽对接,届时将可透过汽车音响,收听手机音乐、广播、接收来电讯息。
车驾途中最重要的导航,也可透过NFC的感应技术,将手机的导航内容投放到车用主机上,获得更大的导航画面。也可投放至抬头显示器上,进行turn-by-turn的导航,让驾驶不需分心视线观看导航,在驾驶的车驾水平视线上,就能得到导航讯息,给予驾驶安全、舒适又高科技的车驾环境。
NFC感应的同时透过手机串码,识别驾驶员,唤醒无线充电或是个人车用设定。
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