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5G帶動新興應用 無線充電標準鏖戰再起

5G為產業帶來更多元應用發展,包含智慧手機/手表/家電,甚至是垂直應用領域的升級,都成為無線充電投入的關鍵領域;此外,5G毫米波訊號遠距傳輸將衍生低穿透性和高衰減等困擾,可運用無線充電提供整合電源和用戶終端設備來解決。
Bezalel

去年由手機,智慧手表和電動牙刷帶動的無線充電市場呈爆炸性的成長,無線充電列車下一站將駛往何處引發各界關注,2019年6月在英國倫敦舉行的無線傳能週WPW-2019(Wireless Power Transfer Week),共來自41個國家841位作者發表了237篇論文,相關內容或可看出端倪。根據市調機構IHS Markit的統計,2018年全球無線充電接收器達4.3億個(採用無線充電技術的手機數量成長率約50%),推估至2022年全球無線充電接收器將達61億個;2018年全球無線充電發射器銷售量已達1.97億個,推估至2022年無線充電發射器銷售量將達27億個。目前國際上主要的電信設備大廠如華為、愛立信(Ericsson)、諾基亞(Nokia)、中興等,皆已陸續推出5G基地台及網路設備解決方案、並積極與各國電信商合作架設5G試驗網路或預留商用網路,正式啟動5G設備競賽,智慧手機仍將帶動無線充電攀向高峰(圖1)。隨著無線充電技術的成熟與產業的發展,市調機構IHS Markit的報告亦指出,未來無線充電應用將朝智慧手機、穿戴設備、筆記型電腦、物聯網應用、機器人、終端設備(CPE)、汽車(EV)應用、生物醫學植入物等漸次發展。

圖1 全球5G手機出貨量預測
資料來源:資策會MIC(12/2018)

5G跨界融合 無線充電商機無限

隨著全球公認的5G第一階段技術標準3GPP Release 15於2018年6月發布,5G即將於2020年進入全球商用階段,復以中美貿易大戰,各國及各大廠無不加緊推動5G應用試驗以及5G技術與產品發展,準備迎接5G所帶來的數位轉型及龐大市場商機並驅動產業創新升級。「台灣5G行動計畫」更以實現「以5G領頭觸發跨界融合」及「以虛實並進塑造產業新貌」為二大願景,期以5G帶動各式各樣新興寬頻電信服務及創新垂直應用服務的發展(圖2)。

圖2 台灣5G行動計畫整體推動架構
資料來源:行政院科技會報辦公室整理(03/2019)

國際知名IC設計公司Max Linear推估2019年全球寬頻使用者CPE出貨量將達2.17億台,2019年出貨量將成長至2.21億台,5G寬頻相關應用將呈現高速的增加。由於5G商業化應用時將面臨毫米波(mmWave)(28~70GHz)訊號於遠距時將衍生無法穿透外牆或窗戶或穿透時產生高衰減等困擾,運用無線充電技術提供整合電源和數據的用戶終端設備成為重要的解決方案之一(圖3);但以穿透外牆方式部署傳統光纖到府服務,將增加寬頻使用者終端設備的成本,且在許多情境下,如玻璃帷幕和高樓層外牆等亦不易施工,若能針對此類應用場景,將無線電源解決方案進行優化,使之可自行安裝,將可降低額外的使用者成本;為使製造商能夠輕鬆因應來自不同電信商利用5G基礎設施改善網路效能、擴大固定寬頻覆蓋範圍、提供優質用戶體驗等需求,高通(Qualcomm)在巴塞隆納舉行的2019年世界行動通訊大會(MWC19 Barcelona)中亦宣布推出其首款5G用戶CPE參考設計,該參考設計針對6GHz以下(sub-6GHz)和毫米波頻段的5G固定無線寬頻(FWB)產品,並獲日本樂天行動網路公司採用,將作為涵蓋全日本的全新行動網路之關鍵零組件。發展無線充電提供穿牆電源,強化5G服務,對於幅員廣闊及5G寬頻基礎設施落後的非工業化國家,提供無線電能傳輸結合5G應用的服務,是一個很好的選項,運用無線充電技術提供穿牆電源將可以使5G服務體驗更美好,相關產品的商機值得期待。

圖3 整合電源和數據的用戶終端設備
資料來源:Max Linear(10/2018)

WPW-2019 聚焦NFC無線充電

本年度最盛大的WPW-2019研討會,全球無線充電專家齊聚一堂,分享未來無線充電具發展潛力的方向,包括電動車、無人運具、穿牆電源、廚房電器、生物醫學植入物及IoT感測器應用等,觀察本次研討會12個主題技術的海報展則發現,近距離無線通訊(Near Field Communication, NFC)無線充電成為會場討論焦點(圖4)。近距離無線通訊技術係由非接觸式射頻識別(RFID)演變而來,由飛利浦半導體(現恩智浦半導體)、諾基亞和Sony共同於2004年研製開發,為RFID免接觸式射頻識別技術的延伸進化,目前已廣泛應用於智慧型手機、平板電腦、智慧型手表、藍牙喇叭、筆記型電腦、感應式信用卡、交通卡、儲值卡、企業機關識別證、貨物包裹標籤產品等。「NFC無線充電技術」,最早由芬蘭VTT科技研究中心於2013年12月所發表,之後日本的瑞薩與羅姆(ROHM)也都進一步開發出NFC無線充電系統,主要是將無線充電技術及NFC技術兩者結合,在2019年之前的NFC技術規範中,是無法進行無線充電的,因此這以前的NFC無線充電,其實是「NFC+無線充電」,也就是將無線充電器/充電座與NFC晶片結合,本質上還是大家熟知的無線充電。

圖4 2019 WPW海報展技術別與數量

現有無線充電裝置,都必須於兩端安裝耦合感應線圈來達成,而且一邊必須接收功率,一邊發射功率,兩者相互近距離感應之後,才開始透過天線之間的耦合進行電力傳輸。產業推動標準先行,NFC無線充電之所以會成為焦點,除了技術相對成熟外,NFC Forum在2019年1月釋出全新NFC技術規範,新增「利用NFC線圈進行無線充電」的新協定功不可沒,此一協定規範在新的NFC設計中增加類似無線充電的耦合迴圈來進行充電,雖然充電效率還比不上現在的大型充電盤,但對於一些小型攜帶型裝置或是穿戴裝置而言,依舊是不錯的電力補給方案,使用「NFC無線充電」的優點除了可以減少可攜式電子產品的接口,使其更加的簡潔,成本變得更低外,還可以提高行動裝置的用電效能、續航能力並降低輻射風險等,因此「NFC無線充電」有機會為低功率無線充電產品開啟新契機。

掌握標準動態 決勝商場

無線充電技術的科技仍不斷在演進,因應不同的無線充電需求與傳輸方式,目前已有相對應的無線充電技術正在進行研發或技術的商品化中,而各聯盟/標準組織也極力尋求其可以主導的無線充電載具的標準主導權,無線充電技術與產業標準發展(表1)現況說明如下,目前無線電力聯盟(Wireless Power Consortium, WPC)已推出Qi無線充電標準,並正在研擬Qi Kitchen相關標準;美國汽車工程師學會(Society of Automotive Engineers, SAE)也持續進行電動車輛規格標準的研擬;AirFuel Alliance也積極投入近場通訊技術(NFC)及磁共振與射頻相關規格標準的研擬,因為台灣在國際地位上的限制,並不一定能直接參與國際標準的討論與制定,但瞭解標準組織動向,將可掌握產品發展的脈動,進而爭取商機。以下為依據充電功率區分的產業標準發展趨勢:

表1 無線充電技術與產業標準
資料來源:Dinesh Kithany, IHS Markit, Presented at Wireless Power Week-2019, London, 2019.

1. 電動車輛(2kW以上)無線充電產業標準:未來將由美國汽車工程師學會(SAE)所主導。

2. 高功率(500W~2kW)無線充電產業標準:目前各家廠商因使用頻段各異,WPC及AFA都有機會訂定標準,二大聯盟於標準制定政策將決定其標準的發展時程。

3. 中功率(20W~500W)無線充電產業技術標準:目前WPC及AFA二大聯盟各具優勢,決勝關鍵為市場與標準發展的速度。

4. 低功率(15W以下)無線充電產業標準:Qi已主導手機無線充電標準,但更小功率之產業標準如醫學植入物的無線充電、IoT感測器應用等,則目前二大聯盟仍僅投入少量資源於標準的關注,相關發展值得關注。

智慧手機帶動 無線充電市場更加寬廣

智慧手機正帶著無線充電產業攀向歷史高峰,下一波的無線充電除了機器人、無人運具、筆記型電腦、汽車(EV)等應用外,結合5G無線充電的跨界應用場景及NFC無線充電應於IoT與生物醫學植入物的商業機會尚待讀者發掘;生產製造及ODM為台灣產業的強項,產業推動標準先行,掌握標準動態者,將優先決勝產品與服務商機。

(本文由台灣資通產業標準協會提供,作者為國立中興大學電機工程學系教授、工研院區域與兩岸工作小組業務經理與工研院區域與兩岸工作小組副主任)

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