隨著無線充電技術聯盟、國際標準組織傾力投入發展，無線充電系統可望結合再生能源方案，進一步提升能源效率，同時在功能性安全方面的風險評估也將更加完整，有助該技術加速進軍智慧家庭，實現家庭自動化的願景。
再生能源加持 無線充電能效障礙有望突破
第一代智慧家庭打著家電電子化的口號，讓家電產品如電鍋、洗衣機、電冰箱、電視等，能夠接受主人的指令而運作，能夠預約開啟，也能夠在一段時間後自動結束。2000年左右進階到第二代智慧家庭，相關家電設備已導入聯網技術，讓主人不需要在家裡也能夠進行即時設定，如一下班離開公司就可透過網路或電話設定冷氣開啟、熱水放好，回到家就能夠使用。
2008年左右，第三代智慧家庭則再加入與智慧電網(Smart Grid)的互動，追求節能減碳又省錢的目標；2014年的今天，智慧家庭是否又有新把戲？
仔細想想，過去的智慧家庭賦予家電設備包括執行能力、聽話能力乃至於有限的思考與互動能力，但是要做為一個智慧管家就必須具備行動能力。
2000年智慧機器人的出現，即成為此概念的發想源頭，隨著電腦的體積不斷縮小，微機電系統(MEMS)應用的迅速發展，機器人技術也有相當大的突破。
機器人結合無線充電 智慧管家行動自如
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| 圖1 可內含無線充電裝置的地板材料 |
根據最新一代Honda ASIMO機器人的資料顯示，在130公分的身高下，機器人重量終於減到54公斤，但不難想像所犧牲的就是續航力問題，在現今的技術下，其所採用的51.8伏特(V)鋰離子電池，僅能提供連續使用1小時時間而已，儘管原廠並沒有說明充電所需要的時間，但依據經驗，在一般家用的電源下，充電時間通常不會低於使用時間。
無庸置疑，續航力對智慧家電設備而言相當重要，幾乎所有運動都需要有能量的來源，因此能量取得的技術障礙就成為了推廣使用的瓶頸，雖可採用高能量電池，但卻會面臨行動範圍受限的困境。此時，原本用於行動裝置的無線充電技術，可讓智慧家庭的推展，露出一線曙光。如果這些設備都能夠自由移動，不再需要電線，不但家中變得美觀，也能夠真正達到所謂「自動化」的目標。
檢視目前幾個有機會實現智慧家庭無線充電的設備，首先係可取代傳統建材、裝潢材料的Dupont Corian材料，號稱可透過埋入的感應線圈裝置，打造可無線充電的地板與桌面材料(如圖1、2)，其次則是由賓州大學畢業生所發展的uBeam技術，亦宣稱可透過天花板提供無線充電的能量來源。
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| 圖2 採用內埋無線充電裝置的廚具桌面 |
事實上，日系車廠Nissan在2010年底就展示利用太陽光電造成的人造發電樹木，可搭配內埋於地面的線圈，提供小型機器人在地面移動的動力；Nissan與Toyota預計到2014年，更將採用約4kW的固定式地面無線充電裝置，提供停置於車庫中電動車進行無接點的充電，結合這兩項技術，或許未來的機器人能夠變得更為輕盈，續航力也會更為持久，智慧家庭第四代就可能進階到擁有24小時不休息的智慧管家。
無線充電進軍家庭 安全防護材料居關鍵
就無線充電的技術原理來看，2008年開始發展的磁共振技術，已透過實驗證明高效率傳輸無線電力的可能性，也將有效電力傳輸距離延長到線圈直徑的兩倍以上。
由於變動的電磁場能對所有導電材質產生影響，為減少能量的耗損，同時不讓導電材質受到電磁感應而產生渦電流而發熱，或者是產生感應電壓而造成觸電的危險，感應用的線圈須配合安全控制的線路。因此，即使解決操作頻率、電磁干擾等問題，無線電力傳輸業者還要解決一個安全上的難題，也就是磁場對於金屬所產生的渦電流問題。
例如電磁爐就是利用變化的電磁場，在金屬材料上產生渦電流而達到加熱電機設備的目的，同理，當無線充電發射端產生變化的電磁場時，路徑上的金屬材料都容易產生渦電流，而接收端的設備一定是有金屬材料的。如果渦電流無法做功，就會以熱的形式耗散能量，但若針對正在運作的電路，渦電流就可能會導致線路中電流或電壓增加，進而導致設備的不正常運作，甚至使原本不帶電的導體帶電，而產生觸電或火災的危險。
隨著傳輸功率提高，電磁場變化對其他導電材料的影響逐漸變得不可忽視，這並不是線圈控制線路就能處理的，須採用電磁場遮蔽的材料，以保護重要的線路不受干擾，包括鋁箔、銅箔、石墨纖維乃至於銀膠或是其他導電材料，皆是可能須採用的防護技術。同時，為不斷增加的感應距離需求，甚至有開始利用負折射率材料達到類似磁場透鏡效果的技術問世。
國際標準組織競相規範 無線充電電氣安全有保障
儘管全世界目前無線充電還處於通訊協定的戰爭中，但是在提高功率的挑戰上卻是採取一致的立場，也就是「安全第一」的設計考量。在中功率的無線電力傳輸架構下，必須考量到下
列幾個問題：
其中，針對電力安全方面，包括ANSI/UL 2738、UL 1310/UL 1012、IEC/UL 62368-1，以及IEC/UL 60335等標準規範，皆是目前電力相關設備重要的安全守護屏障。
為因應無線電力傳輸的發展，身任產品安全標準發展及測試認證組織的UL，也積極配合標準組織進行電氣安全的發展工作。UL 2738是全球首部針對小型無線充電設備傳輸端與接受端的相容性安全測試標準，在2010年10月14日由UL首次提出，並於2011年3月11日正式生效，也能夠搭配攜帶式資訊產品安全標準--IEC/UL 62368-1或電源供應設備安全標準--UL 1310/UL 1012，做為一體化電子電機產品的電氣安全標準，目前UL 2738能適用的電源功率可達100VA的範圍，足夠大多數的小型電器產品所使用。
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| 圖3 搭配變壓器的手機無線充電傳輸器 |
儘管目前的無線電力傳輸介面，並不須有金屬的實體接觸，因而減少漏電危險，也少了連接器脫落的起弧危險，但由於目前的無線電力傳輸系統，仍須配合家用的交流(AC)主電力系統運作，在電力傳輸側，仍然有交流降電壓的設計(圖3)，因此傳輸側的安全將是不可忽視的問題。
國際通用標準IEC 60479-1則說明電擊危害的模式與限制，所謂一般安全電流、電壓、功率範圍(Non-hazardous, Class II)的定義是最大30VDC、8安培(A)和100瓦(W)。不過，儘管行動電子裝置的功率大多小於10瓦，但家電設備如檯燈、吸塵器、電視、收音機、熱水瓶等耗電設備皆可能有超過30VDC的使用情況，如果再加上一對多充的延長線，那轉換後的功率更可能有超過100瓦的風險，如此一來，電力來源就會造成埋入無線傳輸介面時整體設備的電氣安全危險。
再生能源加持 無線充電能效障礙有望突破
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| 圖4 採用太陽能的行動電源設備 |
目前電力事業聯盟(Power Matters Alliance, PMA)正積極推動智慧電力系統的無線化，然而，所面臨到的嚴峻挑戰仍來自於能源效率的競爭，雖然磁共振技術能將有效傳輸距離透過線圈的擴大而增加，但是過度擴大後，如果未能夠集中磁力線，能效的浪費將更為嚴重；因此為減少能耗所造成的電費增加，如果引進免費的可再生能源，如太陽能或風力後，再配合上儲能系統與智慧電網，或許就不再須要煩惱電力系統的能效問題(圖4)。
當星巴克(Starbucks)加入PMA陣營之後，再加上電動車用無線充電系統的問世，人們逐漸了解到，無線充電的市場應該從電子裝置身上移轉到環境的配套建置上，當把眼光放到環境的變化之後，又能促進更多的新應用出爐。未來的智慧家庭擺脫電源線的束縛後，不僅可縮小備用電池的體積，產品設計將更不受限於現有的形狀與功能，可說可動的智慧家庭將不再是科幻影片中的情節。
避免無線充電危安情形 功能性安全評估勢在必行
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| 表1 IEC 60479-1中列出造成不同程度人體傷害的電流分區 |
整體而言，家庭智慧化關鍵在於自動控制的落實，而自動控制的關鍵則在於可靠的軟體與硬體，以確保安全。傳統以基礎功能為主的安全評估模式將不敷使用，必須再搭配對自動控制的功能性安全評估。
舉例來說，過去為防止吹風機燙到人，大多數是採用耐熱材料或拉大熱源與外殼的距離，因此在所有情況下都是安全的，而新型設計則能透過設置溫度偵測器，在超溫時降低功率輸出，待溫度低於預期時再提高功率輸出，以兼顧使用安全和用戶體驗；不過，此時溫度偵測器的可靠性就會變得很重要，設計人員除了評估使用頻率、操作環境與軟體程式設計外，就連周邊干擾抵抗能力等情況也須納入考量。
對應到家庭無線充電的發展，功能性安全規範也至關重要，目前IEC/UL 61508、IEC/UL 60730等都是用於評估電力設備安全控制的標準，IEC/UL 62368則再導入風險評估的概念，然而因為評估難度高，涉及自動控制的核心技術設計，因此目前取得驗證的製造商寥寥可數，將會是未來智慧家庭的最大挑戰。
(本文作者為UL亞太區事業發展經理)