安全/效率/便利性日增　無線充電產業蓄勢待發

無線充電技術要進一步提高消費者的接受度，充電速度與效率，以及產品相容性將是不可或缺的兩大關鍵，也因此無論是無線充電聯盟(WPC)或AirFuel聯盟皆致力研擬更高充電功率的新技術規格，而晶片商則積極開發可同時支援磁感應(MI)和磁共振(MR)技術並相容Qi和AirFuel兩大標準的多模接收器方案，期提升無線充電裝置的使用者體驗。

市場前景有潛力　建構產業生態系為關鍵

無線充電在這幾年呼聲甚高，雖然應用尚未普及，不過需求非常明確，應用情境已經越來越清晰，僑威科技執行副總潘怡安(圖1)表示，無線充電在餐廳、咖啡店、飯店、車站、機場等場合都有高度需求，目前主流的磁感應與磁共振技術效率也不斷提升，其中WPC提出的Qi標準效率已可達80%以上，磁共振雖然進展較慢，效率約30%∼40%，但其非接觸特性還是可以帶來一些應用優勢。

圖1 僑威科技執行副總潘怡安表示，無線充電在餐廳、咖啡店、飯店、車站、機場等場合都有高度需求。

另外，對於許多希望導入的廠商來說，產業生態體系(ecoSystem)包括周邊零組件的支援、標準版本的穩定、產品的售價、終端的普及等因素都是投入的關鍵，尤其是目前標準都還在持續更新當中，提供服務的廠商若貿然投入建置，可能會發生投資血本無歸或是新產品無法支援的狀況。潘怡安指出，目前無線充電模組成本約在6∼10美元之間，如果終端應用普及，成本還可以大幅下降；不過不管是磁共振還是磁感應，充電過程對於金屬異物的影響都很敏感，像現在很流行的金屬背蓋，都不能進行無線充電，也是手機廠導入考量的重點。

而目前不同聯盟都有發展各自的磁感應或磁共振標準，對於消費者來說，標準的互連互通也是採用的關鍵之一。不過，因為消費者在行動裝置的使用上，一方面希望電力使用可以越長效，對於電池耗盡的容忍度也越低，所以在公共場合導入的需求越來越高，應用模式也日漸多樣，邁入大量導入的階段指日可待。

線圈設計提升傳輸效率

一般而言，無線充電系統設計有五大考量重點，成功大學電機系副教授楊慶隆博士(圖2)解釋，包括：使用者體驗、效率、功率位準、標準與法規、元件選擇等。無線充電的基本原理是電流通過線圈，而在空間中建立了磁場，這個磁場對應到另一個線圈的時候產生感應，電流就可以傳遞，之後的重點就在於傳遞效率、傳遞距離等的搭配。

圖2 成功大學電機系副教授楊慶隆強調，由於技術的進步，工程師可以實現無線充電功能，改善搭載電池裝置的使用者體驗。

利用磁場耦合的無線充電系統，早在西元1900年代就已經出現了，楊慶隆進一步強調，近年由於組件、晶片和系統架構的進步，讓工程師可以很容易地在設備中實現無線充電功能，以改善搭載電池裝置的使用者體驗。在無線充電的過程中，效率就變成最重要的一件事，在感應線圈數、距離、接收端線圈數都已經確定的情況下，發射端線圈尺寸有最佳值，可以得到最好的充電效率。

無論是二線圈、三線圈還是四線圈，工程師可以透過線圈優化、阻抗匹配、頻率調整等保證電力傳遞性能的設計。無線充電已經進入市場實用階段，從過去台灣IT產業建立的基礎來看，上游IC設計和下游系統開發、組裝、零售的產業鏈整合，很有機會在無線充電市場占有一席之地。

高功率無線充電車用導入商業化腳步近

在高功率無線充電的部分，由於包括電動機車與油電混合車、電動汽車逐漸為市場接受，無線充電需求日益提高，成功大學電機系特聘教授黃世杰博士(圖3)說明，目前高功率無線充電的應用中，磁感應技術發展較快，相較於磁共振技術，元件體積較小，是主要的發展優勢；車用無線充電標準主要由自動機工程學會(Society of Automotive Engineers, SAE)主導，2014年SAE J2954的無線充電標準規範了電動汽車(EV)與插電式混合電動汽車(PHEV)。

圖3 成功大學電機系特聘教授黃世杰說明，目前高功率無線充電的應用中，磁感應技術發展較快，元件體積較小，是發展優勢。

而有台灣汽車工研院稱號的車輛研究測試中心研究發展處李廷恩博士(圖4)則指出，磁共振技術發展在中小功率不如磁感應，不過在許多大型車輛的無線充電應用上，該技術卻擁有22∼44kW的傳輸實力，所以許多超大瓦數的電動車充電應用還是投入磁共振技術的發展，包括日系的Honda與Toyota電動車充電解決方案。

SAE J2954規範重點為：操作頻率在81.38kHz∼90kHz之間，氣隙間距為10∼20公分，最小耦合係數k需大於0.15，第一級輸入功率為3.7kW。黃世杰表示，在這個規範下，車用無線充電設計主要有兩個模式，分別為：一對一無線電能傳輸與一對多/多對一電能傳輸系統。透過學校實驗室實際設計的一對一系統，以3.7kW為輸入功率，可以得到398V輸出電壓及3.3kW輸出功率，整體系統傳輸效率為88.7%，已經是一個具有商業化價值的電能傳輸系統。

圖4 車輛研究測試中心研究發展處李廷恩指出，若無線充電技術能再突破，有助於電動車產業的起飛。

無線充電助電動車產業發展一臂之力

電動車發展數十年至今，還未能成為主流很大的一個原因就是充電技術。目前市售電動車還是以有線充電或者換電池為主要的動力補給方式，李廷恩認為，若無線充電技術能再進一步突破，將有助於電動車產業的起飛，因為無線充電相較於現行電能補充方式有安全、耐用、便利等特點。以有線充電為例，必須由民眾自行操作大功率、高電壓的充電設備，正確連接後進行充電，過程中稍有不慎或設備產生氧化侵蝕、磨耗等，其實很容易產生觸電、漏電或跳火的意外。

從電動車發展與無線充電技術的角度來看，靜態充電須從前述的安全性、便利性與效率上有更進一步的提升；另外動態充電也是一個發展趨勢，李廷恩說明，許多歐美國家已經投入動態無線充電，英國與韓國都已經建設實驗性質的示範車道，其中由韓國科學技術院(KAIST)開發的電動汽車(On-Line Electric Vehicle)系統，已經建設24公里長的充電公路，公車底盤與路面距離大約17公分，可接收100kW電量，接收效率達85%，只有偵測到電動公車到達時才會啟動充電。

而靜態無線充電技術中，車輛研究測試中心投入無線充電線圈構型設計、異物偵測、阻抗匹配等三項關鍵技術研究。李廷恩表示，線圈構型影響充電效率約80%的表現，是整個系統最關鍵的技術之一；而異物偵測尤其是金屬對充電的安全性有重大影響，也是關鍵議題之一；阻抗匹配則與傳輸效率、對位有密切的關係。

不過以系統特性的角度來看，學校與研究單位目前都已經投入研究並改善中。黃世杰進一步說明，不管是線圈構型或阻抗匹配與傳輸型態都有關係，一對一無線電能傳輸系統的優點有二，一是對位精準情況下，電能傳輸效率高；二是控制策略與電路架構較為單純；缺點則是對位不精準(錯位)情況下，系統整體充電效率就會大幅降低。另外一對多架構優點為，僅需增加接收端線圈，即可達到多輸出的目的；缺點為因各接收端之線圈放置位置不一致，導致獲得能量不同。而多對一架構的優點為電能傳輸平台磁場強度較為平均，如出現錯位情況，也可藉由控制策略維持充電效能；缺點就是控制策略與電路架構都是三個架構中最複雜的一種。

整體說來，不管是採用哪一種架構設計，二次線圈錯位分析與異物偵測之回授電路控制系統均須審慎考量。而且多對一架構雖然效率還不及一對一架構，但比較能應付實際使用情境，因此未來研發方向將朝多對一系統發展。黃世杰表示，其實驗室已經設計出三對一無線充電系統，已可於20公分氣隙條件下，達成無線電能傳輸，輸入功率2kW、輸出功率1645W、系統效率82.01%，已經達成初步商業化的價值。

圖5 工研院材化所電磁材料元件研究室主任唐敏注表示，無論是無線充電中的磁感應還是磁共振，靠的都是磁場傳輸功率。

兼顧磁感應/磁共振需求雙頻磁芯材料突破瓶頸

磁感應無線充電技術已商品化多年，2014年更大舉進駐智慧型手機，而磁共振技術則還需一段時日發展成熟。不過，不管是MR還是MI，磁性材料都是不可或缺的關鍵材料。工研院已研發出一款薄形電感材料，可同時適用於磁感應和磁共振頻段，開發者僅須使用同一磁芯，即可滿足無線充電技術之各頻段需求。 工研院材化所電磁材料元件研究室研究主任唐敏注(圖5)表示，無論是無線充電中的磁感應還是磁共振，靠的都是磁場傳輸功率，唯一不同的是，兩者使用的模組不同。理想的導磁材料必須具備很高的導磁率，只要加上一個磁場，就會產生千倍萬倍的磁通量。

不過，磁通量是會飽和的，飽和後不管加上多大的磁場，磁通量都不會增加，因此無線充電只能在一定距離範圍內才能工作。另外，磁性材料也不是在任何頻率都可以工作，通常導磁率越高，工作頻率就越低，其稱為Snoek效應(Snoek Limit)，是很自然的現象。

因此，在選擇材料時，無線充電開發商會面臨一個問題是，該材料的飽和磁通量究竟有多高？像是非金質合金(Amorphous)的磁通量很高，可以傳遞很大的功率；鐵氧磁體(Ferrite)的磁通量就比較低；複合材料(Composite)則是把磁性粉末和橡膠、塑膠混在一起，變成一種軟性的材料，其飽和磁通量就更低，因為混了太多沒有磁性的膠料。

唐敏注進一步分析，目前廠商在無線充電材料上碰到的困難，主要是受限於Snoek效應，難以兼顧高頻高μ高飽和性質，但可以從材料模擬選用、配方組成設計、晶項結構及製程調控，加以克服並突破技術瓶頸。 有鑑於國內業者在材料上面臨的考驗，工研院研發出雙頻無線充電磁性材料。同一磁芯材料可同時適用於磁感應和磁共振的頻段(100∼300KHz、6.78MHz)，且採用薄型外觀設計，容易實現模組整合。該材料本質上是鎳鋅系鐵氧磁體(NiZn Ferrite)和錳鋅系鐵氧磁體(MnZn Ferrite)電感材料，具備高耦合、高效率特性，除了應用在10W以下的低功率傳輸外，也可傳輸更高功率的電力。

精確金屬檢測　提升無線充電安全

3C產品充電的安全性一直是消費者非常敏感的問題，廠商也致力改善充電過程的安全性，　無線充電少了電線與插頭就某種程度上避免了線材會產生的問題，不過富達通科技無線充電事業部經理詹其哲(圖6)表示，無線充電過程中，如果在傳送端與接收端之間有金屬異物遮蔽，而且不是完全遮斷電磁波，導致部分能量還在傳遞，但部分能量傳遞到金屬異物上產生熱能，就會造成起火或爆炸，是目前無線充電安全性上最大的考驗，必須以有效的檢測方法避免相關情況產生。

圖6 富達通科技無線充電事業部經理詹其哲說明，無線充電過程中，如果有金屬異物遮蔽，就有起火或爆炸的風險。

現有金屬異物檢測辦法有幾種，詹其哲分析，包括功率差值比較法，但其缺點是無法應用在100W以上的充電型態，因為功率越高傳輸自然損耗值也較高，此方法就容易出現誤差，不能準確檢測是否有金屬異物的影響。另外一個稱為電流相位檢測技術，透過線圈電壓與電流相位因金屬異物插入產生移動，但須透過精密的檢測儀器觀察，無法實作在一般的產品中。近年業界又發展一種方式叫做Q值檢測法，也就是透過Tx線圈電感量變化可以判別是否有金屬異物，因為線圈表面有金屬異物會降低其電感量，所以電感量的變化就是Q值變化，而Q值就是線圈上面的阻抗跟電感量的乘積比。

第四種金屬異物檢測稱為自諧振衰減檢測，詹其哲表示這是他自行研發的技術，就是用兩組驅動IC，來檢測於短時間暫停驅動下觀察Tx線圈電壓訊號衰減速度，進而判別是否有細小金屬異物的入侵，在檢測的精確度上，該技術可以辨別細小的金屬如迴紋針，而且不需校準可以立即使用，在開發成本上因為零件較上述技術少，所以成本也很低。

無線快充產品驗證非常必要

無線充電產品因為有產業標準，而且使用過程容易產生安全性問題，所以產品驗證就相當重要。UL台灣電子科技產品部資深專案工程師胡翔豪(圖7)指出，其中AirFuel聯盟認證的要求有四項：會員、認證實驗室、測試報告、認證證書等，所以在為產品進行測試規畫時有幾個重點，包括取得技術規格、了解產品通訊協定、參考設計、準備測試樣品、選擇適當的測試認證實驗室、與認證實驗室討論測試計畫、準備測試文件、預測試與除錯、測試證書，最後順利完成測試認證就可以貼上AirFuel協會的標章了。

圖7 UL台灣電子科技產品部資深 專案工程師胡翔豪指出，AirFuel聯盟認證的要求有四項：會員、認證實驗室、測試報告、認證證書。

而在快充部分，原則上就是加大功率，以便在相同時間內對電池輸入更多電量，目前業界快速充電的規格由高通(Qualcomm)主導，較常見的是2.0與3.0，其中2.0規格分為Class A的5/9/12V的電壓，Class B除了以上的電壓之外，還加上20V的高電壓模式；而3.0規格的Class A則從3.6∼12V以0.2V為單位，可以彈性地調整輸入電壓，Class B規格則是更進一步將最高電壓提高到20V，同樣可以彈性調整輸入電壓。

在人們對於可攜式智慧手持裝置的應用越廣泛，依賴度也越高的狀況下，充電議題也更加重要，無線充電也因為人們的需求，只待現有的問題包括充電安全性、充電效率、標準互通性等進一步解決，市場就會迅速起飛，小從穿戴式手環、手表，到人手一機的手機、平板，一直到電動機車、電動汽車與電動公車等，無線充電的市場化，快則年內慢則3∼5年就會發生，也將帶領人們對這些產品的使用進入另一個全新的境界。