突破充电效率距离限制无线充电迈向中功率磁共振

中功率及磁共振无线充电发展加温。WPC、A4WP、PMA三大无线充电标准阵营，皆已计划在今年发布充电功率达15～30瓦的无线充电新规格，并加紧投入磁共振技术研究，可望提升无线充电效率，并突破目前磁感应技术距离受限的桎梏。中功率与磁共振无线充电行情看俏。为了让小型电子产品以外的装置亦能享有无线充电功能，三大无线充电技术标准阵营正殚精竭虑发展中高功率无线充电标准，期能夺得市场先机；其中，又以电力事业联盟(PMA)动态最受瞩目。随着无线充电技术朝中功率及磁共振方向演进，无线充电联盟(WPC)运行频段干扰问题已逐渐浮上台面，成为其日后发展的隐忧；反观PMA在与无线电力联盟(A4WP)结盟后，已同时握有磁共振及磁感应技术，加上其未来更拟采用传输距离更远的无线区域网路(Wi-Fi)做为通讯机制，因而更加受到市场瞩目。兼具磁共振/磁感应技术PMA壮大无线充电势力图1UL检测事业部亚太区事业发展经理陈立闵认为，PMA已同时握有成熟的磁感应和磁共振技术，可望成为三大联盟中的最后赢家。UL检测事业部亚太区事业发展经理陈立闵(图1)表示，若以消费者体验做为最终考量，无线充电势必走向磁共振应用方案，因此原本专注于磁感应技术的WPC及PMA已积极研拟相关标准；不过，WPC选错频段的结果可能使其最终错失市场商机。陈立闵分析，WPC的Qi标准运行于110k?205kHz，与多种应用频段重叠，为了避免日后严重的频率干扰问题，及为往后的中高功率磁共振技术发展铺路，WPC正在讨论更换运行频段及通讯协定(Protocol)的可能性，不过一旦更动运行频段及晶片通讯协定，新旧晶片方案间的相容性将成一大疑虑。这项浩大工程不仅让WPC进退维谷，亦让内部成员及外界对WPC未来发展打上问号。另外，WPC成员中应用商少、晶片供应商多，比例失衡的结果，也让Qi的应用市场难以快速扩张，因此近来其会员增长的速度已愈来愈缓慢。陈立闵表示，反观PMA，在2014年初已与A4WP签署合作协议；表面上看来是平等的合作关系，然事实上，A4WP之创始成员三星(Samsung)已将其无线充电技术捐赠予正积极发展磁共振技术的PMA，加上微软(Microsoft)、威瑞森(Verizon)等其他联盟的要角纷纷于近日宣布加入该阵营，让PMA气势如虹。PMA因有美国联邦通讯委员会(FCC)的协助，一开始就选用了200M?400MHz的冷门频段，巧妙避开日后的频率干扰问题；而在「收编」A4WP后，该联盟手上已同时握有磁感应、磁共振的无线充电技术，成为一股足以与WPC抗衡的势力。另一方面，甫与A4WP签署合作协议的日本横须贺研究园区宽频无线论坛(YRP-BWF)，以及韩国电信技术协会(TTA)等组织，除了能协助PMA/A4WP扩大在亚洲市场的影响力外，更值得注意的是，这些组织原本就致力于中高功率磁共振的发展，未来三方的技术合作成果自是备受期待。图2UL产品安全事业工程部资深专案工程师胡翔豪表示，PMA的API可提供客户资料搜集与分析服务，因此颇受通路商青睐。不只PMA可接收A4WP的磁共振技术，A4WP亦可采用PMA的开放式网路应用程式介面(OpenNetworkAPI)。UL产品安全事业工程部资深专案工程师胡翔豪(图2)表示，这套API是PMA很重要的技术资产，不只能应用于无线充电网络管理，亦可提供后端应用商客户资料搜集与分析的服务，因此颇受通路端业主的青睐，可促进其采用PMA标准的意愿。陈立闵补充，PMA未来更拟采用与蓝牙同样运行于2.4GHz频段的Wi-Fi做为通讯机制，实现优于蓝牙方案的传输距离；加上PMA阵营内拥有为数众多的应用商，如家具厂、建材厂、连锁餐饮业等，这些业者都能驱动消费者对无线充电的应用需求，再回头刺激晶片商推出可商用化的最终方案，进一步扩大无线充电的市场规模。胡翔豪更直指，PMA在今年第三季就可能发布15瓦的中功率标准，前景备受期待，亦让目前身为商用进展最快的WPC备感压力。为了防止市占率流失，WPC正积极制定中功率标准，更将未来的应用前景放眼在厨房、家电等中大功率无线充电应用市场。巩固市占率WPC冲刺中高功率应用图3德国莱因EMC暨通讯服务部专案经理Jan-WillemVonk指出，WPC将未来的应用前景放眼在厨房、家电等大功率无线充电应用市场。德国莱因(TUV)EMC暨通讯服务部专案经理Jan-WillemVonk(图3)表示，WPC可望在今年正式发布15瓦(W)的中功率无线充电标准，接下来亦计划往30瓦、90瓦、120瓦方案逐步前进。Vonk进一步表示，不只WPC，其他标准组织皆有志一同地将未来的战场放在厨房及客厅。尤其是有热水瓶、果汁机、微波炉、电锅等中高功率家电的厨房，将是继小型电子产品之后，下一个无线充电技术较劲的战场。为了让无线充电的市场吸引力能与有线充电方案相匹敌，三大标准阵营及各个无线充电技术开发商，正致力于将无线充电的传输、接收功率往上提升；不过，无线充电模组接收端(Rx)的设计挑战一日不除，中高功率无线充电应用就永远无法成熟，而其中的关键因素，就在于主控IC的核心演算法。[@B]催生中高功率无线充电主控IC演算成关键[@C]催生中高功率无线充电主控IC演算成关键目前无线充电市场中三大阵营--WPC、A4WP、PMA，不断透过各种方式以扩大自己的势力范畴，期能成为最终一统江湖的霸主；不过事实上，三大阵营最大的敌手并非彼此，而是有线充电，因此无线充电标准阵营及所有的无线充电技术开发商，最须绞尽脑汁的是，要如何提高无线充电的传输、接收功率。陈立闵进一步解释，无线充电方案虽无法完全替代有线充电方案，但技术开发仍须跟上有线充电市场技术演进的速度，免得最终导致无线充电市场需求消失殆尽；像是行动装置快速充电(QuickCharge)方案的兴起，及通用序列汇流排(USB)等高速传输介面标准正不断提升充电效率，都在在成为无线充电方案的潜在威胁，因此无线充电技术往中高功率发展更是燃眉之急。事实上，三大无线充电标准阵营正积极将传输、接收功率提升至15?30瓦。理论上，中高功率无线充电技术对发射端(Tx)而言并非难事，因发射端只须不断传送电力即可，最关键的是接收端的模组设计；由于接收端模组周围常伴随着待充装置内部的其他元件，因此要如何克服电磁相容(EMC)问题，就成了中高功率无线充电技术发展的最大困境。图4富达通无线充电事业部经理詹其哲认为，要克服中高功率无线充电技术的开发挑战，其核心关键就在于主控IC的设计。富达通无线充电事业部经理詹其哲(图4)认为，要克服EMC等中高功率无线充电技术的开发挑战，其核心关键就在于主控IC的设计。有鉴于此，富达通已经开发多项专利技术，以强化主控IC的控制演算法，并改善了Qi标准目前存在的技术漏洞，成功突破中高功率无线充电的设计桎梏。以Qi的PID演算法为例，其发射、接收模组最重要的参数系来自接收端的资料封包，为避免系统因某些因素导致资料传送失败，而让整个PID回路失效无法运作，Qi标准系透过软体控制演算法来解决此问题。不过，软体演算若没有控制好，当系统欲将传输频率降低以提高传输功率时，容易跨过谐振点，届时即使将频率降低，传输功率仍会开始往下掉，无法满足中高功率的传输需求。詹其哲表示，为了解决此一技术问题，富达通已开发出「感应式电源中自动调节之方法」专利，以强化PID的演算模式；此外，该公司亦透过「可变功率系统」、「感应线圈位移修正」等专利技术强化主控IC的核心设计，让接收端可依需求自动调整输出功率，并可自动侦测感应距离进行功率控制，一一破解中高功率无线充电的技术关卡。詹其哲指出，虽然中高功率仍将系市场最终发展方向，然目前市面上的无线充电产品仍以低功率为主，为了迎合市场所需，富达通决定将Qi的5瓦标准纳入该公司的中高功率无线充电方案。据了解，富达通已在今年发布第五代感应式无线电力系统--α5，其传输功率最高可至100瓦，更重要的是，α5不仅能搭配100瓦方案的接收器--β5，亦可对符合Qi标准的接收器传输电力。除了主控IC的演算法之外，线圈磁材的选用也将决定中高功率无线充电系统的良窳。由于低功率无线充电系统的表面温升不明显，因此不管选用何种磁材，其磁导率、电阻率等物理特性表现并不突出；不过，设计中高功率无线充电线圈时，就须考量到系统温度对于线圈磁材特性的影响，以及每种磁材所适用的频段为何，因为这将大幅影响无线充电系统效率。无线充电迈向中功率线圈磁材选用定成败图5高创科技行销部副理王世伟强调，无线充电线圈磁性材料的选择，决定了中高功率无线充电系统的充电效率。高创科技行销部副理王世伟(图5)表示，无线充电线圈材料的选择，决定了该系统的充电效率，尤其在设计中高功率无线充电产品时，磁材及线材的选用上更须多方考量。一般而言，无线充电线圈组成可粗分为四大部分，分别为由散热材、铁氧体类(Ferrite)的磁性元件、保护膜(PET)以及线材(Coil)；在选择线材时，须考虑到各种材料的厚度、阻抗、绕制精度；磁性元件的选择则须考量磁导率、磁材饱和特性、电阻率及适用频段等因素，这些都会影响到无线充电电力传输系统的效率表现。王世伟解释，目前常见的磁材约可分为锰锌及镍锌两类，前者相对磁导率高、电阻率低，后者则反之；基于这些特性，各种磁材所适用的频段也不尽相同。如当同样的线圈放在磁导率较高的磁材上，其产生的感值会较大，因此若想要降低铜损耗，即可选用锰锌；然锰锌电阻率低，可能让线圈在充磁的过程中，也就是产生磁力线的同时，造成更多的涡电流损失。不过，事实上，在低功率的无线充电系统设计上，锰锌跟镍锌的相对磁导率及电阻率其实相差无几，除非在长时间运作下，导致系统温度明显上升，才会产生些微差距；因此，低功率的无线充电线圈设计对于磁材的选用并不若选择线材般斤斤计较。但若是15瓦以上的无线充电系统，磁材表面温度上升幅度会更为明显，这会让磁材的电阻率、磁导率等物理特性更为突出，因此在磁材的选择上就须考量到温度对于磁材物理特性的影响。有鉴于此，王世伟表示，在设计中高功率无线充电线圈时，应该要选择导磁性低，但是电阻率较高的磁材；如只要选用阻抗起始点高于1MHz的磁材，中高功率无线充电系统产生的高频杂讯即能轻易被消灭，让中高功率无线充电系统效率再提升。除了电子产品之外，高功率车载无线充电应用商机亦大有可为。由于充电站数量少、建置成本过高，且充电方便性不足，电动车在市场上的渗透率一直难有起色，而无线充电技术能解决电动车充电方便性及安全性的疑虑，因此吸引众多车厂开发高功率磁感应或磁共振式车载无线充电技术，期能进一步扩大电动车的市占率。竞推高功率无线充电电动车厂加速商用脚步图6车辆研究测试中心绿能车辆发展处专案副研究员江朝文提到，许多车厂正积极促成车载无线充电方式往商用化发展。车辆研究测试中心绿能车辆发展处电动车系统技术专案副研究员江朝文(图6)表示，油电混合动力车抑或全电动车，现行的充电方式主要是透过有线充电，庞大的电缆及充电收发器增加了消费者使用上的不便，且若碰上户外的冰霜暴雨，不免让消费者对其安全性打上问号；因此许多车厂正积极促成车载无线充电方式往商用化发展，期能为电动车市场带来另一波新契机。江朝文进一步指出，无论是磁感应或磁共振无线充电，若要用于电动车充电，传输距离及电力功率须分别在1公尺以内及3.3?3.7kW的范围内，方能符合应用需求。目前开发中及实证阶段的车载无线充电技术，大多数的充电系统效率约可达到80?90%，表现已经与车载有线充电相差无几，前景指日可待。据了解，目前已有许多汽车大厂与各产官学单位合作，卡位车载磁共振、磁感应无线充电市场。以磁共振无线充电方案为例，丰田汽车(Toyota)、三菱(Mitsubishi)、奥迪(Audi)、Delphi等车厂及汽车电子供应商，皆积极与美国无线充电技术公司Witricity合作，欧美地区亦有许多计划正在如火如荼进行，包括SPX与通用汽车(GeneralMotors)、eCoupled与Telsa等。此外，2013年8月，南韩亦宣布采用磁共振技术的「充电马路」建置完成，电动公车行走于上即可充电，在在为电动车磁共振无线充电技术的发展