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搶攻廚房/機器人商機 中功率無線充電席捲而來

2018-11-06
無線充電歷經一場沉默的革命,現已強勢進駐於智慧型手機市場,全力推動15W以下的低功率應用;此外,近期更積極朝智慧廚房與機器人應用邁進,企圖推出中高功率的無線充電,開創新一波市場商機。

無線充電市場無疑是科技產業另一波殺手級關鍵技術,商機令人引頸期待。AirFuel聯盟表示,無線充電市場預估會以每年25%的速度成長,到2022年將有2億個裝置,以及超過10億美元的產值。目前無線充電是被歸類為高階手機的功能,而使用這項功能的比例停滯在20%左右,不過隨著無線充電技術持續精進,使整體消費者體驗好感度提升,將可再次帶動無線充電使用率向上攀升。

AirFuel無線充電聯盟主席Sanjay Gupta(圖1)談到,無線充電不僅用於電動牙刷與智慧手機,也開始拓展到物聯網相關裝置,包含穿戴型應用、醫療裝置、筆電、工具機、機器人、無人機、無人操作自動化設備,以及個人化行動裝置,預期下一代無線充電技術會先出現在那些對於無線供電有必要需求,而非只是可有可無的裝置上。

圖1 AirFuel無線充電聯盟主席 Sanjay Gupta表示,無線充電已逐漸導入於多元化的各種類型的智慧載具。

100~2,400W進駐廚房 無線充電中高功率戰鼓響起

受惠於三星(Samsung)與蘋果(Apple)相繼將無線充電技術導入手機應用,刺激消費性市場的成長。趁此趨勢,WPC聯盟亦開始鎖定中高功率無線充電技術,企圖開拓無線充電新版圖,將100~2,400W功率的無線充電導入智慧廚房中,為無線充電產業開啟新契機。

WPC聯盟主席Menno Treffers(圖2)表示,該聯盟正積極開發一種新的無線充電規範,為廚房內的電器設備供電,其功率範圍界定在簡單100W小型電器(如榨汁機),到需要輸出功率高達2,400W(如水壺和平底鍋)的加熱設備,預期創造一個標準、安全與智慧兼具的無線充電生態系統。

圖2 WPC聯盟主席Menno Treffers認為,智慧廚房應用潛力十足,該聯盟正積極部署100~2,400W無線充電技術。

安富利(Avnet)產品管理經理(圖3)楊士緯談到,在高溫高濕情境中使用廚房電器用品,無形中會產生一些觸電或失火的風險,而該聯盟希望藉由無線充電,實現家電防水概念,讓消費者們可以很安全在廚房內使用帶電產品。整體而言,磁感應(MI)設計從低功率提升至高功率有幾個挑戰,包含成本、效率、對位、金屬異物干擾,以及當無線充電市場開始普及時,延伸出專利戰等問題。

圖3 Avnet產品管理經理楊士緯表示,無線充電技術將有助於家電產品在高溫高濕環境中,減少觸電、失火疑慮。

基於能量不變定律的概念,提升無線充電效率的過程,能量損失往往會轉換成熱能。換言之,雖然無線充電瓦特數可以很高,但無線充電系統是否能承受轉換效率伴隨而來的熱能問題,進而影響電池或其他相關元件,是開發商設定產品瓦特數的考量要素之一。不過,雖然效率的好壞,會影響無線充電能耗及熱能產生多寡,但開發商依舊積極尋求提升效率的解決之道;除了仰賴新的原物料導入外,打造出更整合型的系統單晶片(SoC)主晶片,以自然的方式提升效率,更成為無線充電供應鏈積極努力的方向。而在熱能改善部分,則可透過增加風扇或其他零組件的方式,將熱能對整體系統損害減到最低。

楊士緯透露,由於廚房屬於特殊的應用場域,為了與消費型5~15W的產品做區隔,WPC聯盟將賦予智慧廚房無線充電全新的Logo,稱為Ki,預計最快2019年年底將會確定。

整體而言,行動裝置的充電發展有兩個方向,一個是大功率的快速充電及充電的便利性,無線充電也不例外,所以無線充電的充電規格需要能符合快充需求。除了上述內容,在家電、家具內嵌內建無線充電器,確實帶來些許的便利,但目前無線充電技術還是只能放在充電板上以接觸式的方式進行充電,事實上並不符合現代人使用行動裝置習慣,無線充電至少要能在一個房間的範圍內讓裝置設備隨時都能進行充電,如此便能消除人們對裝置沒電的焦慮,才能達到真正的便利與實用性。

也基於此,目前已有廠商基於磁共振技術,積極開拓新的應用市場。一些早期的無線充電生態布建已經存在,像是新加坡的樟宜機場以及臺灣的桃園國際機場都有AirFuel磁共振無線充電站。除此之外,機器人無線充電應用也正蓄勢待發,成長潛力一片樂觀。

機器人應用一觸即發 擘畫無線充電新版圖

2018年人工智慧機器人討論熱度持續升溫,無論是哪一家機器人製造商皆希望透過差異化的產品特色,贏得市場注目進而創造營收佳績,而無線充電技術的導入,就是一項刺激機器人創造另一波成長高峰的關鍵技術。

機器人對無線充電的需求,就像是一頭沉睡的獅子般逐漸被喚醒。捷佳科技市場總監亓立安(圖4)表示,磁共振已突破無線充電距離、功率與面積的限制,成為許多機器人製造商將產品無線化的利器,包含掃地機器人、陪伴/個人型機器人、家庭報警/安防機器人,機器手臂等應用,皆有望成為未來無線充電導入的目標。

以現階段來看,首波導入無線充電技術的機器人,預計鎖定於掃地機器人和陪伴型機器人為主。亓立安談到,許多掃地機器人原來使用的充電座,可能會因為使用時間久而產生氧化或對位充電不精確等問題,有其採用無線充電技術的必要性。

圖4 捷佳科技市場總監亓立安指出,機器人應用將有望成為接下來無線充電發展的藍海市場。

而從技術面來討論,無論是哪一類型的機器人,在行走的過程中,都會需要離地面一些距離。舉例來說,掃地機器人在行進的過程中,離地大約1~1.5公分左右,而這絕對需要磁共振技術才能實現,因為磁感應技術受限於物理限制,若超過0.7公分,對於充電效率影響極大。

不過,雖然磁共振技術為無線充電應用帶來許多好處,但以目前的成本價格來看仍然偏高。普遍來說,一個接收器與發射器的模組加起來預估約50美元左右,將可能成為廠商投入的絆腳石。但綜觀機器人產業來看,較屬於創新型市場,對於高單價的無線充電技術導入意願較高,據了解目前已有廠商默默耕耘相關市場。

亓立安認為,所有創新都需要一個產業的領頭羊帶動市場,就像智慧手機無線充電的爆發,也是因三星和蘋果兩大手機品牌商的導入有明顯的成長,而機器人市場也是如此。目前該公司已與北美知名品牌掃地機器人廠商,以及陪伴型機器人大廠合作無線充電技術,提供30W傳輸功率、20公分傳輸距離,其效率約70%左右的無線充電模組,預計今年年底開始出貨,相關機器人產品亮相的時間點約莫2019年年底,屆時市場大量鋪貨,將引發更多製造機器人的廠商跟進效應。

亓立安透露,2019年預計將有更多不同類型的機器人導入無線充電技術,故該公司正積極標準化旗下機器人無線充電模組,期能在模組尺寸小型化的同時,進一步提升輸出功率與效率,刺激無線充電機器人市場更加蓬勃發展。

無論是WPC或者AirFuel聯盟,皆積極朝向更高功率的技術努力前進。然而,即便是目前無線充電技術導用率較高的智慧手機應用,其最高瓦數也限制在15W以內,如何大幅度提升充電功率,是投入中高功率無線充電應用有待解決的基本門檻。

掌握線圈通訊/金屬異物偵測 提升充電功率沒問題

富達通科技無線充電事業部經理詹其哲(圖5)表示,市面上最多的Qi無線充電,供電端線圈約在4公分直徑,驅動電壓為5V下,可以在兩個線圈距離為1公分之內傳送5W之功率。故理論上將線圈與驅動電壓放大10倍,其輸出功率和感應距離也應增加10倍,但實際經過了多年Qi系統的推陳出新,效能依舊無法突破20W,究其原因,在於一般人忽略的「控制系統」。

圖5 富達通科技無線充電事業部經理詹其哲談到,若要提升無線充電功率,需具備線圈通訊及金屬異物偵測技術能力。

隨著WPC Qi標準將無線充電的線圈與電路設計標準化,工程師僅須遵循規格設計,即能完成產品,但實際上線圈上的能量卻難以控制。控制系統的複雜度,來自於兩個最大的挑戰,也就是「線圈之間通訊」與「金屬異物偵測」。目前Qi標準所提供的控制系統,無法在超過20W的環境下運行,解決線圈之間通訊與金屬異物偵測的難題。

詹其哲指出,Qi系統在無線充電過程中,受電端控制IC會將目前接收能量的狀況數據透過反射調製的方式(原理同RFID)將資料以ASK調變疊在供電端線圈能量之上,供電端主控IC再去解析訊號取出資料碼後,依受電端提供資料的內容進行輸出功率調整。供電端傳送電力到受電端,受電端傳送資料到供電端是一個迴路控制,所以線圈間通的通訊是維持系統運作的關鍵,這也會影響電力傳送效率,供電端必須由受電端接收電力狀況資料才能調整功率輸出,把功率輸出設定在最佳值。

問題在於編碼格式,Qi採用同UART的編碼格式,這種格式是早年在IC之間的資料傳送方法,並非針對無線充電所設計。先前提到無線充電線圈的能量訊號可能受到各種因素所影響,會影響到線圈上訊號的主要有功率大小、動態負載、感應線圈相對距離與位置。目前Qi應用在15W內,因為線圈設計都有所限制,所以通訊功能還可以運作、一旦功率加大後,這個機制會崩潰無法運行。

詹其哲透露,該公司早已針對大功率下線圈間的通訊進行研究開發,歷經數年的改良找出可以在高功率下可靠進行線圈之間通訊的技術。其資料傳送的速度跟現行Qi系統接近,實測可以在進行電傳送超過500W以上的兩個線圈之前進行資料傳送。至於金屬異物檢測,該公司則是採取線圈自諧振訊號衰減檢測法,可以精確的識別在線圈之間僅約迴紋針大小的金屬異物,在數百瓦的系統中依然可以可靠運作。在高功率無線充電設計上,掌握控制系統內部所需的「線圈間資料通訊」與「金屬異物偵測」兩大關鍵技術,就能保障無線充電模組成品的效率與安全性。

散熱/成本是關鍵 無線充電產品設計面世

恩智浦(NXP)物聯網與安全解決方案開發總監Steven Tateosian(圖6)指出,在迎合市場趨勢製造產品時,製造商將面臨許多挑戰,包含成本與如何管理在更高功率水準下設備過熱問題,這可能會影響到在安全範圍內實現消費者理想外形設計。

圖6 NXP物聯網與安全解決方案開發總監Steven Tateosian表示,無線充電產品設計的關鍵核心在於散熱的掌控。

製造商的機會包括為消費者提供無縫的使用者體驗,享受更多便利與自由。隨著消費者對無線充電設備的性能、易用性和許多便利性的認識越來越強,在家庭、辦公室和車載的許多使用範例中,採用頻率將迅速增長。隨著消費者意識和採用率的提高,製造商將可能獲得更多新的應用被採納。

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