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車輛中心 研究發展處 /李廷恩
無線充電係指具有電池裝置之產品,可透過無線感應的方式取得電力以進行充電,包含
無線充電、感應式電力、非接觸式充電、無接點充電都是泛指相同之技術。相較於有線充電
方式,無線充電因無通電接點之設計,可避免觸電危險,具較高之安全性,同時也降低電力
傳送元件於使用期間之損耗、避免受環境影響而老化與氧化,進而提高設備之耐用性。此
外,無線充電的最大優點在於其便利性,用電裝置無須以電線連接,僅需放置於無線充電器
上或附近,即可啟動充電;於技術上,甚至可支援 1 對多的無線充電模式,可省去多餘之充
電器,減少電線纏繞的麻煩。因此,現今的用電產品中,不論是手機、平板、電腦、民生家
電、甚至是電動車,皆有其所使用之無線充電產品逐漸被開發與上市,以提供消費者另一種
充電方式的選擇。
無線充電技術發展
一般而言、無線充電系統包含傳送端線圈及接收端線圈,傳送端線圈在電源供應
下以交流電推動而產生交流電磁場,使接收端線圈接收交流電磁場並轉換為電能,
進而供電給用電裝置上的電池,現行之無線充電技術主要有兩種,分別為磁感應
(Magnetic Induction) 及磁共振 (Magnetic Resonance):
磁感應式無線充電係依法拉第磁感應定
律,透過電生磁、磁生電的方式傳送,其系
統架構如圖 1 所示。採磁感應技術的無線電
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一、磁感應
力傳輸效率較易受線圈尺寸及傳輸線圈之間
距離條件所影響,需在短距離傳輸時方能有
較佳之效率,甚至要讓傳送端與接收端貼緊
方能傳輸。雖然感應式無線充電受到物理限
制,然其優點為成本低廉、實現技術較容易。
AC/DC
轉換器(PFC)
AC/DC
轉換器(PFC)AC/DC
整流模組
電動車
電池
DC/AC
轉換模組
控制器
通訊模組
控制器 控制器
通訊模組
市電
發射端(供電端) 接收端(電動車端)天線
Wifi or BLE
▲圖 1. 磁感應式無線充電系統架構
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磁共振式無線充電技術起源於美國麻省理
工學院 (MIT) 研究團隊於 2006 年 11 月發起一
項代號 WiTricity(Wireless Electricity) 的研究
計畫,其系統架構相同於磁感應式,但不同的
是需讓傳送端與接收端線圈與電路設計在一特
定之操作頻率,可讓兩端線圈達到磁場共振現
象,進而傳輸能量。相較於磁感應,磁共振技
術之優點為:
‧傳輸距離較遠、可達 10-20cm 以上
‧傳輸功率較高、可達到 kW級以上之輸出功率
‧傳輸效率較佳、可達到 75~90% 之系統效率
然而,磁共振技術之缺點是成本較高,且
傳輸效率會受共振頻率影響,於系統設計與開
發上較具技術難度。
WPC 制定的 Qi 標準為目前最大之無線充電聯盟,市占率達 95% 以上。除目前已廣泛引
用之 Qi 1.0 版之外,WPC 於 2014 年 5 月提出 Qi 1.1 正式取代 Qi 1.0 成為新的標準版,後
續更將提出 Qi 1.2 版,其在特性上不僅提高充電功率與改善距離限制外,更將納入磁共振與一
對多之充電技術。
( 一 ) 消費型產品用之無線充電系統
(1) 法規動向
為了能在廣大商機的無線充電市場中佔有
一席之地,許多公司籌組無線充電技術聯盟並訂
定無線充電標準、產品規格與頻段。截至 2015
年全球三大無線充電聯盟分別為WPC(Wireless
Power Consortium)、PMS(Power Manager
Alliance) 及 A4WP(Alliance for Wireless
Power),其相關介紹與比較如下表所示。
///////////////////////////////////////////
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二、磁共振
三、法規動向與近期發展
聯盟 WPC PMA A4WP
成立時間 2008 年 2012 年 2012 年
使用技術 磁感應 / 磁共振 磁感應 磁共振
制定標準 Qi 無 Rezence
操作頻率 100~205kHz 277~400kHz 6.78MHz
主導廠商
TI
Sony
Nokia
Duracell
Powermat
AT&T
Intel
Samsung
Qualcomm
不論是磁共振或是磁感應技術,無線充電
產品若要普及,其關鍵因素有二:「標準統一」
及「大量建佈」,唯有明確的法規標準方能推
動產業鏈,在產品大量建佈後,方能提高消費
者的使用可能。
▲表 1. 駕駛監控系統分析比較表
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PMA 至目前尚無提出任何無線充電標
準,會員數相較同屬於磁感應式無線充電的
WPC 較少,然在金主寶僑 (P&G) 強力支持
下,積極與星巴克、麥當勞等進行跨業合作,
並於 2014 年與 A4WP 結盟,藉此擴大市場
能見度,且整合電磁感應與電磁共振無線充電
技術,可望統整出單一規格、加速技術推廣。
A4WP 有別於 Qi 標準的磁感應技術,致
力於發展磁共振式無線充電,以提供較遠的
傳輸距離、具彈性之充電、更佳的傳輸效率,
及支援多個設備同時無線充電之功能。A4WP
提供的充電功率已從消費性電子產品的 10W
到車用充電的 6kW,成員之一的 WiTricity
已與豐田汽車合作開發車用無線充電系統,
而 Intel 也積極開發 Rezence 標準之產品,
其未來市場競爭力不容小覷。
(2) 近期發展
以下列舉 2013-2015 年間消費型產品用
無線充電系統具代表性的技術發展:
‧2013 年
汽 車 消 費 電 子 協 會 (Consumer
Electronics for Automotive, CE4A) 推
薦 WPC 聯盟的 Qi 標準作為車內無線充
電系統之標準。
‧2014 年
聯 發 科 的 多 模 無 線 充 電 解 決 方 案
MT3188 先於 4 月通過 WPC 聯盟的
Qi 認證,再於 12 月獲得 PMA 認證,
證明產品採用的 IC 模組具無線充電兼
容性。另聯發科已通過 UL 台灣測試,
成為在台唯一可提供 PMA 測試及認證
服務的認可實驗室。
‧2014 年
德州儀器 (TI)、IDT 等晶片商搶推中功
率無線充電,以提升充電速度、改善使
用者觀點。
‧2015 年
Intel 於 CES 2014 大會上展示智慧無
線充電碗的概念原型,在運用 A4WP
技術下、使線圈不用對位即能有良好之
充電效果,且能一次對多個裝置充電。
‧2015 年 3 月
瑞典公司 IKEA 選擇 WPC 聯盟的 Qi
標準為放置在 IKEA 家具的電器產品充
電標準,所推出的無線充電家俱種類有
檯燈、桌燈和立燈等燈具。
‧2015 年 3 月
蘋果推出之 Apple Watch 正式導入無線
充電功能,聯發科、凌通、盛群、迅杰、
立錡、聯昌等台灣相關廠商可望受惠。
‧2015 年 6 月
最新的 Qi 無限充電器可傳送 15W 電
力至手機電池,且能在 30 分鐘內充飽
60% 電力,其近似於手機快充功能。
‧2015 年 7 月
高通 WiPower 採 A4WP 的 Rezence 規
格,其所開發之新技術可讓具金屬外殼
的智慧手機或平板亦能使用無線充電。
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從上述發展趨勢可觀察到,三大聯盟雖
原各有其開發技術與主導廠商,然而近期如
Qualcomm、Broadcom 及 TI 等大廠皆朝
多模化方案進行產品佈局,以提升無線充電
產品之相容性,進而拓展市場占有率。
( 二 ) 電動車用之無線充電系統
(1) 法規動向
國際自動機工程師協會 SAE(Society of
Automotive Engineers) J2954 規 範 已 於
2015 年底公布,其規範宗旨為建立電動車及
插電式混合車之無線充電準則,以確保充電性
能及安全性有符合要求。此外、亦評估多種無
線充電技術,包含電磁感應、電磁共振等,期
許各應用場合之無線充電方式具備共通性,使
無線充電應用更為廣泛。
SAE J2954 所規範之輸出功率可分為
三級,如圖 2 所示,包含家庭及事務所使用
之 3.7kW,分類為 WPT1(Wireless Power
Transfer 1);用於私人及公共停車場之
7.7kW,稱為 WPT2;而應用於快速充電之
‧2012 年
高 通 (Qualcomm) 與 法 國 雷 諾 公 司
簽屬純電動車無線充電技術開發備
忘錄,在倫敦使用雷諾和英國 Delta
Motorsport 公司的 50 輛電動車進行
電磁感應方式之無線充電測試驗證。
‧2012 年
日本自動機工程師學會 (JSAE) 與日本
無限供電系統技術部門委員會進行無線
供電標準化。
必須相容
η>80%
選擇性相容
η>80%
選擇性相容
η>80%
0-3.7kW
η>90%
0-7.7kW
η>90%
0-22kW
η>90%
WPT 1
WPT 2 WPT 3
必須
相容
選擇性
相容
必須
相容
必須相容
10-16cm
16-22cm 22-28cm
Gap S
Gap M Gap L
▲圖 2. SAE J2954 規範之功率等級規格指標 ▲圖 3. SAE J2954 規範之傳輸距離規格指標
22kW,則稱作 WPT3。SAE J2954 所規範
之傳輸距離亦可分為三級,如圖 3 所示,分別
為 10-16cm 的 Gap S、16-22cm 的 Gap M
及 22-28cm 的 Gap L。此外,SAE J2954
亦規範電動車無線充電之操作頻帶範圍為
81.38~90.00 kHz,望藉此制定以提升電動車
無線充電之共通性。
(2) 近期發展
以下列舉近 2012-2014 年間電動車無線
充電系統具代表性的技術發展:
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‧2012-2013 年
EMOSS汽車電動系統研發公司於荷蘭、
交通運營商 RNV 於德國、英國 Arup 工
程公司及北愛爾蘭 Wright Bus 客運公
司於英國分別啟動電動車無線充電試運
行專案,使無線充電技術成為眾多汽車
製造商與零組件商關注的研發技術。
‧2014 年
日 本 Toyota 開 始 對 3 輛 Plug-in
Hybrid 車款進行無線充電系統測驗,朝
技術商品化階段邁進。
‧2014 年
BMW 與 Daimler 集 團 簽 下 合 作 意 願
書,研發一套通用之無線充電系統,能
適用於各式不同的純電動車或是 Plug-in
Hybrid 插電式混合動力車款。
‧2014 年
賓士和寶馬合作攻電動車「最後一英
哩」,目標為在幾年內將無線充電技術
實現系統化應用。
‧2014 年
高通的 Halo 電動車採用磁共振技術實現
地面充電板與電動車充電板間的能量傳
輸。於 Formula E 賽程中,BMW i8 安
全領航車即採用 Halo 技術,而另一部採
用該技術的 BMW i3 則為醫療車、服務
車等其他賽事工作用車。
國內雖已有多家系統廠與晶片商投入消
費型產品用之無線充電市場開發,然鮮少業
者投入電動車或高功率產品用之無線充電技
術開發。基於此,ARTC 從 2011 年至 2015
年間便致力於高功率無線充電相關技術開
發、籌建多項關鍵技術,以下分別說明:
四、車輛中心 (ARTC)
所開發無線充電關鍵技術
( 一 )2012 年完成集中磁場型共振線圈設計
研發成果如圖 4 所示。其關鍵技術在於
設計五面盒型構型之線圈,可將磁場整形、
▲圖 4. 無線充電集中磁場共振線圈開發成果 ▲圖 5. 集中磁場共振線圈之磁場分布分析
集中,並將磁場匯聚於電力傳輸作用區 ( 如
圖 5 所示 ),不僅能提升系統傳輸、亦增加傳
輸距離。此外,因大量減少非磁場作用區之
磁場分布,達到降低對周邊電子電路之電磁
干擾影響,可改善屏蔽材質因渦電流所生之
高溫影響。測試結果與傳統無線充電線圈比
較,ARTC 所開發之集中磁場型共振線圈可
提升 46% 之感應電壓。
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( 二 )2014 年完成無線充電阻抗匹配技術開發
其成果如圖 6 所示。此一技術目的在於
當無線充電系統的傳輸距離改變時,仍可保持
穩定之系統效率。所開發之阻抗匹配技術概念
如圖 7 所示,在於當系統動作於不同傳輸距離
時,可經由自動位移偵測技術回授電路中補償
電容之變動跨壓,並由微控制器計算各跨壓值
所對應之傳輸距離,進而切換最適電容值以使
系統操作頻率保持在最佳傳輸效率。圖 8 為
系統效率比較曲線,其結果指出、系統設計上
以傳輸距離 15mm 具最佳效率,而當傳輸距
離改變至 5mm 時,原系統會有明顯的效率衰
減,而車輛中心所開發之阻抗匹配技術可維持
一定之效率值,相較之下、提升 10% 的系統
效率。此技術不論是應用於消費型產品或電動
車用無線充電系統上,皆具實質之價值、可提
升產品使用的自由度與方便性。
( 三 )3.7kW 無線充電系統雛型
於 2015 年 ARTC 依循 J2954 WPT class
1 關鍵指標建置 3.7kW 無線充電系統雛型,其
中包含了線圈構型、屏蔽效應、耦合電路、功
率轉換、整流電路等多項技術,並實際整合系
統於 ARTC 自行研發之電動車平台上,其成果
如圖 9 所示,詳細之無線充電系統規格如下:
‧ 技術架構:磁共振技術、SP 電路架構
‧ 傳輸功率:3.7kW
‧ 傳輸距離:10-16cm
‧ 操作頻率:80-90kHz
‧ 線圈大小:55cm*55cm*2cm
‧ 系統效率:80%
‧ 通訊介面:WiFi
▲圖 6. 無線充電阻抗匹配技術開發成果 ▲圖 8. 系統效率比較曲線
▲圖 7. T 型等效電路及系統操作頻率示意圖
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然而,無線充電系統另有安全面與技術面
之考量:在安全方面,因無線充電系統屬非接
觸式裝置,傳送與接收端有一定距離,在系統
運作過程中若有金屬異物侵入,有可能因異物
發熱甚至引燃而發生危害;在技術方面,無線
充電系統會因天線設計、線圈匝數、對位距離
等因素而造成功率不足及效能不佳等問題。因
此,ARTC 將針對上述之議題籌建異物偵測與
主動式阻抗匹配兩項關鍵技術能量,以提升無
線充電系統之安全性與效率。
無線充電已成為新一代電子產品之技術特
色,無線充電器的成本價格雖仍不及有線充電器
▲圖 9. 電動車無線充電系統開發成果
///////////////////////////////////////////
五、結論
來的親民,傳輸效率尚不盡理想,使用上亦有方
向性與角度的限制,然而無線充電之便利性及其
新鮮感仍能吸引消費者使用。在電動車應用領域
中,BMW、GM、Volvo、Toyota、Nissan 等
車廠皆有推出相關之無線充電模組,可見無線充
電技術未來將會是消費市場的主流之一。
而 ARTC 所開發之無線充電系統除可用於
電動車之外,亦適用於電動機車、高爾夫球車、
福祉車、電動搬運車等各式大功率之電動載具,
其應用市場極為廣泛。此外,在發展大功率無
線充電系統的同時,期望以 ARTC 於電動車無
線充電系統所建置之研發能量,推動國內廠商
擴展相關技術與產能,進而帶動國內相關產業
鏈,增加國際市場競爭力。
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ARTC 研發團隊
所開發車載無線
充電系統,係透
過磁共振技術提
高系統的運輸效
率,也增加傳輸
距離,並與整車系統整合,當發
生異常或其他緊急狀況時,系統
會透過無線通訊即時停止電力傳
送,並於人機介面顯示警訊。
ARTC 無線充電系統 (Wireless Charging System)