符合 Qi 标准的额定功率电路分布从 10W 至数千瓦不等，为满足不同 IoT、医疗、工业 4.0 和汽车等各式环境条件严苛的无线电源传输需求，面向超出 200W Qi 应用，英飞凌 (Infineon) 联袂电子／机电组件制造商 Würth Elektronik，于 2018 年推出用于无线电源传输的 200W 开发工具包 760308EMP-WPT-200W，内含电源供应器、发射器与接收器。利用流过谐振电路的电流是正弦曲线，有助于提供优异的电磁兼容性 (EMC)；而改变切换频率可变更输出电压，并将数据从接收器传送到发射器。
英飞凌 AURIX 和 XMC 微控制器，应对散热管理
发射器端包括全桥、以及由无线电力传输 (WPT) 线圈与串联谐振电容器所组成的谐振电路——谐振电路电压与电流之间的相移，系统以零电压切换 (ZVS) 模式运作，将大幅提升整体系统效率。接收器端则有一个带有下行过滤和筛选的同步整流器——藉发射器与接收器之间交流电场的 AM 调变，任何数据皆可从接收器传送到发射器，应用案例之一是：在充电过程中，将传感器数据传送至基地台的移动设备，实作所有数据皆可免费下载。特别一提的是，英飞凌 AURIX 和 XMC 微控制器 (MCU) 系列，可实现高效率且易于使用的消费／车用无线充电功能。
发射器端包括全桥、以及由无线电力传输 (WPT) 线圈与串联谐振电容器所组成的谐振电路——谐振电路电压与电流之间的相移，系统以零电压切换 (ZVS) 模式运作，将大幅提升整体系统效率。接收器端则有一个带有下行过滤和筛选的同步整流器——藉发射器与接收器之间交流电场的 AM 调变，任何数据皆可从接收器传送到发射器，应用案例之一是：在充电过程中，将传感器数据传送至基地台的移动设备，实作所有数据皆可免费下载。特别一提的是，英飞凌 AURIX 和 XMC 微控制器 (MCU) 系列，可实现高效率且易于使用的消费／车用无线充电功能。
图1：英飞凌用于无线电源传输的 200W 无线充电开发工具包——760308EMP-WPT-200W
资料来源：英飞凌提供
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英飞凌携手系统商合作伙伴因应随身充电的需求，针对电感及谐振无线充电解决方案提供参考设计，无论在家中、公共场所或车内 (in-cabin) 皆适用。其 XMC 微控制器提供强大且符合成本效益的平台，可扩充架构能支持快速充电智能手机、20W 机器人、乃至于高达 60W 无人机及其他多种应用。搭配 MOSFET 及驱动器 IC 等功率产品所组成的系统，可提供完整的无线充电功能，无需复杂的散热管理，且能达到媲美有线充电的效率。2.5W 低功率方案以 XMC 为基础，可在＂单一发射器＂支持一对一及多重设备充电。
图2：英飞凌 AURIX 和 XMC 微控制器适用于为穿戴设备、耳机、智能服饰及其他互连的物联网应用做无线充电
资料来源：英飞凌提供
资料来源：英飞凌提供
若使用较高频率，还能将非常小的线圈建置于多种外型中，不必顾虑邻近的金属物品。此外，英飞凌的控制器与电源器件紧密运作，为车内无线充电提供完整的充电解决方案：
● 稳压器及功率 MOSFET 技术实现高效率的电源转换，而网络 IC 则依据最高的汽车标准提供可靠通信；
● 提供符合现有标准的 15 W 充电 (含智能手机快充)，可藉由软件更新应对未来变动；
● 强化功率级架构提升电磁干扰 (EMI) 效能，优于市场现有方案 10～15 dB；
● 新开发的辅助异物侦测 (FOD) 系统，可加强侦测准确度，满足重要的客户安全需求。
● 稳压器及功率 MOSFET 技术实现高效率的电源转换，而网络 IC 则依据最高的汽车标准提供可靠通信；
● 提供符合现有标准的 15 W 充电 (含智能手机快充)，可藉由软件更新应对未来变动；
● 强化功率级架构提升电磁干扰 (EMI) 效能，优于市场现有方案 10～15 dB；
● 新开发的辅助异物侦测 (FOD) 系统，可加强侦测准确度，满足重要的客户安全需求。
车载无线充电市场，成长动力足
自从宝马 (BMW) 于 2018 年生产全球首款电动汽车无线充电器，更让车载无线充电蔚为风潮。近日 PREMO 集团展示支持 WPT 电动汽车无线充电系统的接收天线 (次级线圈)——WC-RX 系列接收器天线，具有结合 Flex-Ferrite 和 PBM 模块的灵活磁芯，可在 3～11kW的功率下工作，日后将倍增至 22kW。透过优化线圈，采用 3DPower (用于 WPT 的磁性组件) 和 ALMA (用于具有柔性磁性组件的长距离天线)，超出常规铁氧体磁芯限制，可避免空气间隙并减少热区，进而提高效率 (＞95%)、生产具有最小损耗、高可靠性的紧凑型天线。
自从宝马 (BMW) 于 2018 年生产全球首款电动汽车无线充电器，更让车载无线充电蔚为风潮。近日 PREMO 集团展示支持 WPT 电动汽车无线充电系统的接收天线 (次级线圈)——WC-RX 系列接收器天线，具有结合 Flex-Ferrite 和 PBM 模块的灵活磁芯，可在 3～11kW的功率下工作，日后将倍增至 22kW。透过优化线圈，采用 3DPower (用于 WPT 的磁性组件) 和 ALMA (用于具有柔性磁性组件的长距离天线)，超出常规铁氧体磁芯限制，可避免空气间隙并减少热区，进而提高效率 (＞95%)、生产具有最小损耗、高可靠性的紧凑型天线。
印度研调公司 Valuates Reports 统计，2018 年全球车载无线充电市场规模为 17亿美元，预计 2025 年将达 224 亿美元，2019～2025 年之年复合成长率 (CAGR) 为 38%，科技厂当然不会错过这块大饼。小米刚推出新的 10W 通用无线车载充电器，有效充电范围约为 4mm，甚至可为带有保护套的智慧手机充电 (脱去外壳更有效)。其两侧具有一个电磁感应夹臂，易于将手机固定在适当位置；内置红外传感器和马达，可让设备自动检测手机何时拧紧或松开。完全打开后，这些夹臂的最大范围为 81.5mm，方便驾驶单手操作。
它主要由玻璃面板制成，充电面板含在该玻璃面板中，有助于散热。特斯拉 (Tesla) 位于上海的超级工厂 (Gigafactory) 所生产的最新 Model 3，亦同时配备 USB Type-C 充电端口和无线充电板，这两者亦见于 Model Y。传统车厂也很积极；中型凯迪拉克 XT5 近期进行中期更新，包括改进无线电话 PMA/Qi 充电系统，将原有 5W/1A 充电速率提升至 15W/3A (惟手机在充电过程恐因升温而降低平均充电速率)；另新版增强冷却能力，可实现更短的充电时间并使手机更容易对准。
图3：小米 10W MAX 无线快充兼容多种无线充电设备，包括苹果 iPhone11 与三星 S10 快充
资料来源：https://www.mi.com/buy/detail?product_id=12090
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无线 EV 充电，停靠沿线、道路边线皆是站点
另一机构 The Market Reports 聚焦于＂电动车＂(EV)，预估今年全球电动汽车无线充电系统市值为 2,400 万美元，2026 年将达 5,600 万美元，2021～2026 年 CAGR 为 12.7%。VinZ 研究更看好该市场，预估将从 2019 年的 700 万美元，增长至 2025 年的 1.726 亿美元，期间 CAGR 达 59.9%。最为乐观的莫过于 Data Bridge Market Research，预估到 2026 年，全球无线 EV 充电市场将增至 8.4425 亿美元，CAGR 高达 117.75%！
另一机构 The Market Reports 聚焦于＂电动车＂(EV)，预估今年全球电动汽车无线充电系统市值为 2,400 万美元，2026 年将达 5,600 万美元，2021～2026 年 CAGR 为 12.7%。VinZ 研究更看好该市场，预估将从 2019 年的 700 万美元，增长至 2025 年的 1.726 亿美元，期间 CAGR 达 59.9%。最为乐观的莫过于 Data Bridge Market Research，预估到 2026 年，全球无线 EV 充电市场将增至 8.4425 亿美元，CAGR 高达 117.75%！
无线 EV 充电可定义为：在车辆行驶或固定充电站，不使用任何导线为车辆充电的方法，须将安装在车辆表面下方的受电线圈和位于充电站上的输电线圈结合，以便传输电力并对车辆电池充电。美国电动公交车运营商 Link Transit 声称其车队已实现 50 MW/h＂在途＂无线充电；该系统由 Momentum Dynamics 所开发，在预定路线或车库地板铺设地垫，即使是短暂停驻供乘客上、下车，装有接收器的公交车也在收集能量。如此，公交车便可在整个旅程中维持 90% 以上的电池电量。Momentum 将提供三个在途充电站，每台可提供 300kW 功率。
图4：无线充电使车队管理变得非常高效，提供更长的航程，且不再需要装满电缆和充电器的仓库，避免磨损或为工人造成危险
资料来源：Momentum Dynamics；https://momentumdynamics.com/2020/05/19/link-transit-wenatchee-wa-celebrates-50-mwh-of-energy-delivered-wirelessly-to-electric-bus-fleet/
资料来源：Momentum Dynamics；https://momentumdynamics.com/2020/05/19/link-transit-wenatchee-wa-celebrates-50-mwh-of-energy-delivered-wirelessly-to-electric-bus-fleet/
考虑到家里没有电动车充电设施的用户，英国电动汽车新创企业 Urban Electric Networks 在 2018 年抛出在道路边线使用＂嵌入式充电站＂的想法，为人口稠密城市中、没有私人车库的电动汽车充电，亦可集成于私有充电设施。日前已在牛津完成 UEone 原型测试，于街道上配备 7kW 充电中枢供电动车在夜间充电，缓解充电站大排长龙；日间不进行充电工作时会回藏于地面下，使人行道保持净空状态，并保留充电电缆或设备的所有冗余要求。
＂双向无线充电＂可支持车辆电池储能
橡树岭国家实验室 (ORNL) 在 UPS 插电式混合动力电动卡车上演示 20kW 双向无线充电系统，可在卡车和充电板之间的 11 吋气隙中实现高功率传输。专门设计的电磁线圈和电力电子转换器，使电能从电网传输到车辆电池端子的效率超过 92%，为汽车电池组充电约需 3 小时，比传统有线充电的 5～6 小时快得多。＂双向设计＂可支持车辆电池储能，为车队提供更多可能性。这项技术从电网获取能量，并将其转换为直流 (DC) 电压，然后高频逆变器会产生交流电 (AC)，进而产生磁场、在气隙之间传输功率。
橡树岭国家实验室 (ORNL) 在 UPS 插电式混合动力电动卡车上演示 20kW 双向无线充电系统，可在卡车和充电板之间的 11 吋气隙中实现高功率传输。专门设计的电磁线圈和电力电子转换器，使电能从电网传输到车辆电池端子的效率超过 92%，为汽车电池组充电约需 3 小时，比传统有线充电的 5～6 小时快得多。＂双向设计＂可支持车辆电池储能，为车队提供更多可能性。这项技术从电网获取能量，并将其转换为直流 (DC) 电压，然后高频逆变器会产生交流电 (AC)，进而产生磁场、在气隙之间传输功率。
一旦能量透过气隙传递到次级线圈，就会再转换回 DC，为车辆的电池组充电。ORNL 双向技术完全符合电网电能质量标准，车辆到电网的能量储存，是车队拥有者获得附加价值的一种方式，例如，避开高峰需求费用、利用折扣和激励措施参与电网服务、在电网故障时提供能源安全……，推动了下一代智能电网的发展。电动车无线充电不仅方便，对于自驾车等车队的自动充电亦至关重要，可解决充电桩等基础设施建置区域有限的问题。＂随停即充＂模式，亦能确保汽车可无缝使用全部电池容量和续航里程。
图5：ORNL 能量储存可为车队拥有者的业务提供能源灵活性，并有助于更好地管理太阳能等现场发电
资料来源：https://www.ornl.gov/news/successful-delivery-ornl-demonstrates-bi-directional-wireless-charging-hybrid-ups-truck
资料来源：https://www.ornl.gov/news/successful-delivery-ornl-demonstrates-bi-directional-wireless-charging-hybrid-ups-truck
为此，中国新近颁布基于 WiTricity 技术所制订的电动车无线充电国家标准 GB/T 38775，目标是＂让充电和停车一样简单＂，拟于今年 11 月 1 日开始实施，罗列四项标准：
●GB/T 38775.1——第一部分：通用要求；
●GB/T 38775.2——第二部分：车载充电机与充电设备之间的通讯协议；
●GB/T 38775.3——第三部分：特殊要求；
●GB/T 38775.4——第四部分：电磁环境限值与测试方法。
●GB/T 38775.1——第一部分：通用要求；
●GB/T 38775.2——第二部分：车载充电机与充电设备之间的通讯协议；
●GB/T 38775.3——第三部分：特殊要求；
●GB/T 38775.4——第四部分：电磁环境限值与测试方法。
中国无线充电标准的推手：WiTricity
GB/T 38775 还制订在产品设计和测试期间必须满足的变速箱和系统功能要求，包括基本安全。浙江万安科技 (VIE) 和安洁无限科技是现有合作伙伴，皆已获得 WiTricity 技术和设计许可：异物检测、位置检测和通讯等必要外围。WiTricity 表示，其＂磁共振＂电感耦合技术可提供几近传统插入式充电的功率、效率和充电速率。高谐振功率传输涵盖两个具有匹配谐振频率的设备，它们会耦合到一个磁场中，将功率从一个设备传输到另一个设备；利用＂耦合谐振器＂将接收器和发射器独立调谐到相同的谐振频率，可忽略紧邻放置的耦合效应。
GB/T 38775 还制订在产品设计和测试期间必须满足的变速箱和系统功能要求，包括基本安全。浙江万安科技 (VIE) 和安洁无限科技是现有合作伙伴，皆已获得 WiTricity 技术和设计许可：异物检测、位置检测和通讯等必要外围。WiTricity 表示，其＂磁共振＂电感耦合技术可提供几近传统插入式充电的功率、效率和充电速率。高谐振功率传输涵盖两个具有匹配谐振频率的设备，它们会耦合到一个磁场中，将功率从一个设备传输到另一个设备；利用＂耦合谐振器＂将接收器和发射器独立调谐到相同的谐振频率，可忽略紧邻放置的耦合效应。
作为麻省理工学院 (MIT)＂高共振功率传输的无线能量传输形式＂专利 (能在数十公分的较长距离内工作) 之唯一被许可人，WiTricity 技术将成为连结现有电网与各种移动／无线设备的媒介，他们正在积极开发将采用该无线充电发明并将其应用于电动汽车无线充电的核心技术和其他知识产权。早在 2017 年，WiTricity 公司与德州仪器 (TI) 宣布合作，计划在 WiTricity 的无线充电系统中使用 TI 汽车级半导体组件；高通 (Qualcomm) 亦在同年推出动态电动汽车充电技术 (DEVC)，旨在让车辆用户在驾驶时可为车辆充电。
图6：WiTricity 强调无线功率传输与常规插件一样高效和快速，无论行驶高度如何，都可与通用的接地垫互通
资料来源：https://witricity.com/
资料来源：https://witricity.com/
在收购 Qualcomm Halo IP 产品组合后，更有利于 WiTricity 巩固在电动车无线充电领域的地位。2020、2021 年预计还有 SAE J2954、ISO 19363、IEC 61980 等国际标准将发布，WiTricity 正致力使中国标准与其保持一致。然而，目前坊间充电系统都是在设备静止不动时使用；斯坦福大学继三年前建立首个可为运动中物体无线充电的系统后，近期已突破效率太低、不切实际的瓶颈，可望为在仓库和工厂移动中的机器人做无线充电。＂行进中充电＂意味着：可省却停机时间、使机器全天候工作，长远目标是为行驶中的电动车不断补给续航力。
崛起中的潜力技术
无线充电器之所以不易在行进中充电，是因为需透过产生一定频率振荡的磁场来传输功率，但收、发之间只要有些许距离变化，就会影响频率和充电效果。斯坦福成功克服此一门坎，让无线充电器结合放大器和反馈电阻器来传输电力。就算放大器与接收器之间的距离发生变化，充电系统也能自动调整工作频率。最初，囿于放大器内部须消耗大量电能才能精确发挥作用，系统传输效率仅有 10%；在修正＂开关模式＂后，现已提升至 92%。目前，原型机只能在 2～3 呎的距离内传输 10W 电能，且仍停留在实验室阶段。
但在可预见的未来，嵌入到仓库地板中、为机器人提供连续运行的动力，或被安装在屋顶上、供无人机短暂停驻快充，应为期不远；至于为高速行驶中的汽车随时补充电力，还需再等等。最后一个值得留意的无线充电标准是 Wireless CarPlay，第十代本田思域 (Honda Civic) 已导入标准 CarPlay，如今可在不需更换任何硬件的情况下，选择额外付费升级 Wireless CarPlay 和 Qi 充电功能。无线充电板从汽车的辅助电源插座获取电源，电源适配器 (adapter) 本身含一个 USB-A 端口，可将辅助电源插座有效地转换为乘客可使用的电缆充电端口。
BMW X5 M 亦搭载无线充电和 Wireless CarPlay，奥迪 (Audi) 也宣布 2021 年 A4、A5 车款都将支援。先锋 (Pioneer) Wireless CarPlay 最新仪表板中的接收器，可经由额外的 Alexa 支持有线／无线智能手机配对，包括因通知管理系统和应用程序行表访问而受到赞赏的 Android Auto。随着 Apple iCar 问世的可能性越来越高，Wireless CarPlay 或将跻身主流车载充电标准之列。
