為了因應節能減碳的需求，各汽車大廠皆投入相當心力研發「零碳排」的環保車，其中，電動車是目前看來最具競爭力的環保車。雖然價格仍然比傳統燃燒汽油的汽車要貴一些，一旦產量增加，價格下降是可預期的趨勢。

能夠減少環境汙染當然是好事，除了價格考量，消費者對電動車最大的疑慮是續航力與充電的方便性。現今的高檔純電動車，電池充滿電可連續跑400公里不是問題；但是，在哪裡可以充電，如何充電才是電動車產業生態中最大的挑戰。

近年來，無線供電技術在智慧型手機或穿戴式裝置領域已經商品化而且也越來越普遍，例如日常生活中常見的電動牙刷，早具備了無線充電的功能。事實上無線供電的概念，早在100多年前尼古拉‧特斯拉（交流電倡導者）就已經提出。，也由於行動裝置的盛行，人們才開始再度重視這項技術。

既然可以無線傳遞訊息，無線傳遞能量並不算匪夷所思，穿戴式裝置可以為了防水而不設計任何接頭，無線充電成為必要的配備；智慧型手機經常需要插拔接頭，只為了充電，使得這個小小便宜的接頭決定了整個手機的命運。改成無線充電亦可以避免這種困擾。在價格親民與技術成熟的情況下，越來越多的行動裝置使用無線充電。而這股熱潮，也吹向了電動車市場。

圖一：電動車無線供電圖示
圖片來源：electriccarsreport.com

共振式磁感應傳輸電能

圖二：無線磁感應傳電基本示意圖
圖片來源：維基百科

無線供電的基本原理，簡單來說，就是「感應」。當一個線圈上有電流通過，會在周圍形成電磁場(如圖一「B」)；此電磁場變化可影響鄰近的線圈出現感應電流而產生電能。常見的電動牙刷，以及目前行動裝置無線供電市占率最高的Qi(發音為中文的「氣」)標準規格，都是利用磁感應來傳輸電能。

單純磁感應無線供電的缺點是供電線圈與授電線圈必須非常接近。以行動裝置來說，一般在無線充電時須將裝置擺放在特定的充電點。早期（或是低階)的無線充電源，甚至須將充電裝置擺在特定的角度才能開始充電，大大限制了無線充電的實用價值與方便性。科學家發現，如果加上一個「共振線圈」使供電端與授電端能在同一個頻率下「共振」，就可以提高傳輸效率與增加可接收的距離，如圖二所示。

圖三：共振式磁感應傳電示意圖
圖片來源：維基百科

較有難度的短距離共振式磁感應傳電的發展，將電源與授電裝置的距離限制放寬到幾十公分甚至幾公尺，增加了無線供電可能的應用範圍，其中一項就是電動車的無線供電。美日各大車廠已相繼投入不少研發心力，預計兩三年內即可正式推出。

各大車廠紛紛展示無線供電原型

豐田的油電混合車Prius當年曾在美國掀起一片熱潮，近年來除了燃料電池車，豐田也設法改進Prius車系，使其成為可充電的油電混合車(Plug-in Hybrid Electric Vehicle，簡稱PHEV)。

圖四：2011年東京汽車展豐田展示Prius的無線充電板
圖片來源：維基百科

日產(Nissan)的電動車Leaf自2010年推出以來，在北美與日本市場，頗受消費者喜愛。日產也替Leaf設計了充電板可以無線充電。(可參考北美智權報先前文章「TESLA大戰TOYOTA 電動車之爭誰能勝出？」)

圖五：日產Nissan Leaf的無線充電站
圖片來源：www.tested.com

除了豐田與日產，Volkswagen、BMW、賓士的母公司Daimler都紛紛推出自己的方案。但電動車本就還是一個小眾市場，如果不同的電動車使用不同的無線供電系統，以促進消費者接受度的角度來看，這並不是一個好現象。

標準制定與跨廠相容性

2013年11月，汽車工程師協會(Society of Automotive Engineers，SAE International)宣佈達成共識將電動車無線充電使用的頻寬定為85KHz(81.35K~90.00KHz)（註1），這項決定得到日本各汽車大廠與美國電子業龍頭高通公司的支持。從近三十年的科技發展來看，不管是個人電腦或是行動裝置領域，想把市場的餅做大，標準化成為不可避免的一條路，即使是傳統上比較保守的汽車產業也瞭解這個道理，在電動車無線供電技術上，一改過去各自為政的態度，積極協商合作，促成車用無線供電標準化的目標早日達成。

以輸出功率來分，SAE計畫制定三種等級的充電標準，分別為3.7 kW(一般)、7.7kW(公共充電站)、22kW(快速充電站)，以期符合各種不同的需求。目前各車廠所展示的無線供電系統原型，多屬於3.7 kW的規格，也就是適用於一般家用的充電設備，搭配240V電壓輸出，電池從完全無電充至滿電需約8小時左右。

表一：SAE制定的三種車用無線供電等級標準
資料來源： SAE International http://www.sae.org

自動駕駛幫助解決線圈錯位問題

電動車可無線供電而不需要插拔笨重的插頭，聽起來很方便，但實際上卻有不少技術難題。最大的問題是，如何能將電動車準確的停在充電線圈所在的位置？要知道雖然利用共振技術可讓受電感應線圈不需要貼在供電線圈上，但距離越短，兩個線圈方向對齊得越準確，供電的效率會越高，這是自然的道理。然而現實中不能期待每位車主都有神準的操控技術，可以每次都將車子準確的停在供電線圈上正確的位置。

解決錯位的問題，最簡單的方式是利用現有的停車輔助系統，以車子四周的監視影像，幫助駕駛人停到正確的位置。甚至使用自動駕駛的方式，當車子進入目標車位後，自動停車系統會自動的將車子停到位置上，駕駛人一點也不用費力。有興趣的讀者可以觀看以下豐田汽車的展示影片：https://www.youtube.com/watch?v=paC7lE4mzjQ

行進中充電

車子靜止狀態中充電，無線供電是比使用插頭與電線要方便，其實這項技術的價值還可以更突出。那就是動態充電(Dynamic Charging)。

試想，如果供電線圈不只有裝在停車格或是車庫地板上，而是裝在大馬路上，是不是可以一邊開車一邊充電呢？如此一來，是否可以減輕甚至解決電動車行駛途中電力耗盡的問題呢？

圖六：動態充電
圖片來源：www.qualcomm.com網頁

圖七：特殊充電車道示意圖
圖片來源： 截圖自www.qualcomm.com

這項聽起來相當酷炫的技術，目前還在實驗階段，距離問世當然還有很多需要克服的細節。南韓科技技術院(KAIST)在這方面已進行了多年的實驗（註2）。然而科技界怕的不是技術的困難度，而是沒有實用價值。有了這樣的構想，也具備實際用途，假以時日，說不定電動車主就不需要再擔心，車子用完電找不到充電站囉。

電子界不缺席

除了各大車廠，電子業對於電動車無線充電系統開發並不缺席，其中涉入最深的，當屬美國通訊IC設計大廠高通(Qualcomm Inc.)。

除了自行研發，高通在2011年自擁有眾多無線供電技術專利的紐西蘭奧克蘭大學(University of Auckland)購得許多重要無線供電相關的技術授權（註3），並且借用奧克蘭大學為無線供電商品化所成立的初創公司名HaloIPT，改成Qualcomm Halo™作為旗下車用無線供電系統的商標。

圖八：高通的Halo商標
圖片來源：www.trademarkia.com

圖九：高通的Halo系統
圖片來源：www.pcmag.com

看好磁共振感應供電的前景，高通在2012年加入英特爾(Intel)、博通(Broadcom)、三星(Samsung)等公司所成立的A4WP(Alliance for Wireless Power)標準聯盟，意圖與其他行動裝置無線充電標準聯盟，尤其是目前最大也是成立最久的WPC(Wireless Power Consortium)聯盟相抗衡。在無線充電的標準競賽中，有些公司是全押，每個聯盟都加入，不管最後誰占上風都不吃虧，例如三星；有些公司則是押寶在單一技術，最具代表性的就是英特爾與高通。英特爾並未加入WPC聯盟，而高通雖然加入了WPC，但主力還是放在根據A4WP標準所設計的產品線。未來行動裝置不同無線充電標準有望整合成單一標準，但無論如何演進，高通的目標，一開始就不僅是行動裝置，而是著眼在其他更有利基的市場，例如車用供電系統，因此在技術的選擇上，選擇了較有難度的共振式磁感應系統。

學界跨足商界

圖十：WiTricity公司Logo
圖片來源：www.witricity.com

另一個值得一提的「無線供電技術」公司是總部位於美國麻州的WiTricity。WiTricity公司是2007年由一群美國麻省理工學院(MIT)的教授所成立的私人公司。WiTricity的技術來自MIT物理系教授Marin Soljačić與其團隊的研究成果。據說Soljačić教授曾經好幾個晚上被低電能警示聲所吵醒，醒來才發現，原來是他太太忘記將手機插上充電電線。這經驗給了Soljačić教授一個靈感：如果可以將電能，利用無線傳送的方式傳至屋內所有的行動裝置，那晚上睡覺前就不需要記住將手機接上充電電源了。

有了這個靈感，Soljačić教授致力於發展短距離的無線供電技術，在發表了許多重要的研究成果後，2007年Soljačić教授與其他四位研究夥伴一同成立了WiTricity公司，希望能將這項技術商品化。經過多年的努力，WiTricity的技術得到許多大公司的青睞，技術授權客戶包括英特爾、豐田（註4）、以及聯發科。中國大陸的投資機構海銀資本(Haiyin Capital)2015年7月宣佈投資WiTricity公司（註5），雖然詳細數字並沒有公布，但仍足以顯示這家公司的技術水準是得到各界肯定的。

圖十一：WiTricity公司初創成員(坐在正中央的是Soljačić教授)
圖片來源：witricity.com

從有線到無線

不久前消費者還在慶幸手機從不同廠牌使用不同的充電器，進化成統一使用USB充電電源時，電子界已經開始為了無線充電標準而開始角力。如今行動裝置無線充電技術已經相當成熟，相關的產品也越來越容易買到。無線供電技術在行動裝置市場的經驗，是否會複製到電動車市場，誰也說不準。還是很多人對於電動車是否會成為主流，充滿了問號。然而企業想成功掌握商機，不能坐等消費者告訴你，他們要什麼樣的技術，才開始投入研發。以消費者的角度來看，電動車的普及化以及無線供電的便捷性著實令人期待；而以科技人的眼光來看，這又是一個技術發展能改變人類生活的一個絕佳例子。讓我們拭目以待！

備註

1. 資料來源：www.sae.org/...ID=2296
2. 資料來源：electricvehicle.ieee.org/...vehicles/
3. 資料來源：www.auckland.ac.nz/.../going-wireless.html
4. 資料來源：electriccarsreport.com/...power/
5. 資料來源：www.chinabusinessreview.com/...funding/

作者： 徐文芝 現任： 北美智權 教育訓練處 研發創新顧問 經歷: 美國Marvell公司 資深工程師 美國普渡大學電機工程碩士 專精技術領域：數位ＩＣ設計、影像處理、記憶體控制、系統晶片設計

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