從手機到電動車 無線充電擴大應用領域

2019/08/01 - DIGITIMES企劃

無線充電技術與時俱進，且相關應用愈來愈多，畢竟大家都希望能擺脫線纜的牽絆。無線充電是指不需透過電線或電纜傳輸電力的技術，此技術由發射器和接收器兩個部分組成。

在無線充電技術的進展過程中，標準之爭始終是熱門議題，Qi標準和AirFuel聯盟內的其他各種規格彼此競爭主流且互不相容，這個問題不徹底解決，無線充電的進一步普及就有待商榷。

自由及遠距，無線充電追求目標

另一個無線充電技術的重要發展方向，是希望無線充電能更為「自由」。也就是說，現在的無線充電多是基於線圈的電感和電容充電，充電距離約幾毫米，許多系統要求發送器和接收器上的充電線圈須要對準，如此才能獲得最快速充電，而為了提升使用便利性，現在許多研究的目標，是要讓無線充電能夠在自由空間，以更遠距離充電。

例如，位於美國加州聖荷西的WattUp，該公司開發的遠距離無線充電系統採用AirFuel RF規範，已獲得美國聯邦通訊委員會(FCC)認證。WattUp中場(Midfield)發送器可以為距離為1公尺的裝置提供射頻功率，支援基於接觸式和非接觸式的無線充電，並可為多個裝置充電。

另一家業者Powercast則開發出可在距離最遠25公尺處為多個消費性電子產品充電的發送器PowerSpot。PowerSpot發送器能夠創造一個無線充電空間，當支援PowerSpot的裝置進入特定範圍內，就能獲得自動充電。PowerSpot發送器採用915MHz ISM頻段，透過無線方式發送RF能量至裝置中嵌入的PowerHarvester接收器晶片，然後將RF能量轉換為直流電(DC)以補充電池。

不須人為干預，自動啟動充電

此外，以色列業者Wi-Charge開發的無線充電發射器，則會自動檢查電量低的電子裝置，並且自動對其進行充電。Wi-Charge的作法是在天花板上安裝一個紅外線發射器，發射器連接到標準電源，並以紅外線為附近的接收器供電，其應用場所包括家庭、辦公室、餐廳、飯店大廳和其他公共場所等。

Wi-Charge無線充電裝置能在10米範圍內提供最高3瓦功率的電力；發射器只要找到已經啟用的裝置，就會為其供電，無需人為干預，另一特性是覆蓋範圍極廣，單個發射器就能覆蓋250平方英尺。值得一提的，Wi-Charge產品已取得美國FDA(美國食品藥品監督管理局)的批准，也符合國際安全標準，因此，Wi-Charge發射器所發出的帶電紅外線並不會影響人體健康。

此外，東京大學川原圭博教授帶領團隊，也正在開發可將房間變成無線充電環境的技術，當用戶攜帶手機等電子裝置進入房間時，無線充電將自動進行。該研究團隊已改裝一間3平方公尺的房間做為示範。這個房間的地板和牆壁都內嵌產生磁場的板子，智慧手機進入房間就會無線取得電力，電池開始充電。這項新技術遵循國際磁場使用安全指引，確保不會對用戶健康造成影響。團隊接下來將持續改善充電效率並降低成本，為商品化做準備。

產業研究機構Yole Développement的研究報告指出，到2024年，無線智慧手機充電系統市場規模預計每年將超過12億台。另根據IHS預計，全球無線充電市場規模將從2015年的17億美元增長至2024年的150億美元，年複合成長率達到27%。市調機構MarketWatch研究則指出，在未來5年內，無線充電IC市場收入的年複合成長率將達到19.1%，2019年將達到21億美元，至2024年全球市場規模將達到52億美元。

車廠支持，電動車充電無線化

不只是手機無線充電愈來愈熱，電動車無線充電也是相關單位積極投入研發的領域，例如，美國能源部隸屬的橡樹嶺國家實驗室，多年來一直都在研發車用無線充電技術，其開發的無線充電系統是自電網取得電力，轉換為高頻率的交流電，通過線圈產生磁場，磁場變化使得6英吋距離外的車上充電線圈產生交流電力，再經由整流器轉為直流電，供電給車子的電池組儲存。

目前此研究的充電功率已從兩年前的20千瓦(kilowatt)提升到120千瓦。為了達到120千瓦大功率，同時又不至於大幅增加系統設備體積重量，此研究採用最新的碳化矽電子元件。

此技術的其他特性還包括：充電效率提升到97%，與當前有線快速充電裝置相當；無線充電速度已不輸Tesla的充電樁。橡樹嶺國家實驗室研究合作夥伴包括豐田、思科(Cisco)、大功率無線充電設備商Evatran，以及美國南卡羅萊納州克萊門森大學的國際汽車研究中心。接下來的目標是發展350~400千瓦的充電裝置，能在15分鐘內充飽汽車電池。

民間業者方面，新創公司Hevo已經在進行從原型進入量產的階段，計畫生產數千具產品，在未來18個月內供應簽約的電力公司和車廠。麻州車用無線充電公司WiTricity已向Qualcomm收購汽車無線充電技術Halo，並與豐田、Aptiv(前Delphi)、Mahle、TDK、IHI、Shindengen、Daihen、BRUSA和安潔無線簽訂技術授權合約，其中，安潔無線將供應無線充電產品給中國大陸車廠。

WiTricity是利用其專利磁共振技術來實現突破距離的無線電力傳輸解決方案，該公司的Drive 11充電技術，充電功率為11千瓦，充電效率為93%。此前，本田(Honda)和WiTricity聯手展示WiTricity DRIVE 11「車到網」雙向無線充電系統；BMW也推出了採用WiTricity無線充電技術的插電式混合動力汽車。

電動車需求增，帶動無線充電成長

電動車無線充電技術商業化後將帶來極佳的便利性。車輛無論是停在家裡、車庫或公共停車場，只需停在無線充電地墊上方，就能夠免連結開始充電，無需任何笨重的纜線，幾乎消除了插電的需要。

隨著全球愈發重視全球暖化議題，以及中國大陸電動車需求快速衝高，加上所有主要汽車製造商有計畫地逐步淘汰內燃機汽車，全球電動汽車市場持續成長。預計2030年全球將有超過1.2億輛電動汽車上路，投資於充電公共基礎設施的金額超500億美元。至2040年，僅中國大陸就將有2億輛電動汽車上路，佔全球所有汽車總量的三分之一(5.59億輛)。隨著電動車市場的成長，無線充電技術的發揮空間將愈來愈大，商機備受期待。

有鑑於電源設計的良窳往往主宰高科技商品普及應用的命運，即將於8/13(二)舉辦的電源技術論壇，邀請到交大電機系特聘教授兼系主任陳科宏主講「5G-IoT世代電源管理晶片設計趨勢」，此外並有重量級業者TI、ROHM、Maxim、Silicon Labs...連袂發表高轉換、低功耗的物聯裝置電源設計方案，以及NXP帶來「65W+ Wireless Power Solution」，是產品開發者的年度盛會，活動完全免費，歡迎把握最後報名機會。


圖說：Powercast開發出可遠距為多個消費性電子產品充電的發送器。(Powercast)


圖說：以色列業者Wi-Charge開發的無線充電發射器，以紅外線為附近的接收器供電。(Wi-Charge)