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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

///////////////////////////////////////////

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

無線充電系統技術發展

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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。

///////////////////////////////////////////

///////////////////////////////////////////

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

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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)