提起電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)(Wireless Charging),我們依然繞不開(kāi)100年前那位曠世奇才特斯拉(Nikola Tesla),電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)在原理上與手機(jī)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)在原理上別無(wú)二致。1901年,尼古拉·特斯拉在紐約長(zhǎng)島建立了沃登克里夫塔進(jìn)行無(wú)線(xiàn)輸電試驗(yàn),然而,一百多年過(guò)去了,這項(xiàng)技術(shù)卻還未普及。
這又到底是為什么?
無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的原理和結(jié)構(gòu)
無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的基本原理其實(shí)就是我們中學(xué)時(shí)期學(xué)過(guò)的電磁感應(yīng)原理。功率通過(guò)磁場(chǎng)在線(xiàn)圈之間傳輸,通過(guò)發(fā)射線(xiàn)圈的交流電根據(jù)安培定律產(chǎn)生震蕩磁場(chǎng),磁場(chǎng)通過(guò)接收線(xiàn)圈又在法拉第感應(yīng)定律下產(chǎn)生交流電,進(jìn)而達(dá)到充電的目的。
汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的基本設(shè)備構(gòu)成共有六部分。如圖中所示,1、2、3為地面設(shè)備,4、5、6為安裝在車(chē)輛上的設(shè)備。
1. PFC(功率因數(shù)校正)+逆變器
2. 震蕩磁場(chǎng)發(fā)射器
3. 電磁場(chǎng)
4. 震蕩磁場(chǎng)接收器
5. 整流器和傳輸模塊
6. 電池包
壁箱中內(nèi)置了逆變器和PFC并與主電網(wǎng)連接,震蕩磁場(chǎng)發(fā)射器放置在車(chē)輛下方的地面上,震蕩磁場(chǎng)發(fā)射器與震蕩磁場(chǎng)接收器之間是充滿(mǎn)電磁場(chǎng)的氣隙,磁場(chǎng)通過(guò)接收器產(chǎn)生交流電,整流器又將接收器產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)化為直流電并通過(guò)傳輸模塊儲(chǔ)存在電池包當(dāng)中。
無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的幾大優(yōu)點(diǎn):
? 依托自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展,通過(guò)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車(chē)輛充電的全自動(dòng)化,極大的提高了便利性。
? 相比其他充電方式,無(wú)線(xiàn)充電方式理論上可以做到邊走邊充,這種方式極大的解決電動(dòng)車(chē)的里程焦慮。
? 相比傳統(tǒng)充電方式,無(wú)線(xiàn)充電設(shè)備對(duì)于空間需求更低。
充電效率如何?
充電效率是衡量充電方式的重要指標(biāo),從理論上講,無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的充電效率可以達(dá)到95%以上。當(dāng)然,達(dá)到95%需要滿(mǎn)足一系列的有趣的條件。
比如,發(fā)射器和接收器之間的距離。
圖中的縱坐標(biāo)為充電效率,橫坐標(biāo)為接收器和發(fā)射器之間的距離和發(fā)射器直徑之比。不同顏色的線(xiàn)條代表的是不同尺寸的接收器。通過(guò)圖中的曲線(xiàn),我們很容易發(fā)現(xiàn)當(dāng)接收器和發(fā)射器距離到達(dá)臨界值時(shí),充電效率會(huì)大幅下降。
再比如,接收器和發(fā)射器的對(duì)齊程度。
對(duì)于一個(gè)既定的無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)來(lái)說(shuō),關(guān)于發(fā)射器和接收器位置的偏差將是決定充電效率的重要因素。對(duì)于圖中這個(gè)典型系統(tǒng)來(lái)說(shuō),50厘米直徑的發(fā)射器和25厘米直徑的接收器,最大偏差是7.5厘米。對(duì)于一輛四五米長(zhǎng),近兩米寬的汽車(chē)來(lái)說(shuō),7.5厘米這個(gè)停車(chē)精度著實(shí)不低了。也正是如此,才將無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)和自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)更加緊密的結(jié)合了起來(lái)?，F(xiàn)在大多數(shù)豪華車(chē)都有這個(gè)功能,但現(xiàn)在無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)要求它更加準(zhǔn)確,它需要找出地墊的確切位置。一般用三角測(cè)量法或磁矢量法。然后將定位信息傳達(dá)給汽車(chē)的停車(chē)系統(tǒng),汽車(chē)試圖將自己準(zhǔn)確的定位在地墊的頂部。它停得越好,效率就越高。
如果你認(rèn)為只要通過(guò)自動(dòng)泊車(chē)精確停車(chē)并設(shè)計(jì)一個(gè)小的氣隙就能高效的使用無(wú)線(xiàn)充電,那可就大錯(cuò)特錯(cuò)了。無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的能量傳輸發(fā)生在低阻尼的諧振模式下,這就大大增加了匹配發(fā)射和接收頻率的困難程度。而能量傳輸又對(duì)發(fā)射和接收頻率的匹配度要求苛刻。這就需要不斷地補(bǔ)償不斷變化的氣隙、部件磨損和其他公差來(lái)保證頻率的匹配。
何仍未普及?
早在2013年法蘭克福車(chē)展前夕,無(wú)線(xiàn)充電巨頭高通就宣布與Formular E 控股公司達(dá)成合作,將旗下的Halo無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)應(yīng)用于Formula E電動(dòng)方程式賽車(chē)上。在之后的2015年,裝配有 Qualcomm Halo 7.4kW無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)的寶馬i8開(kāi)始成為全新的官方安全車(chē)。
然后率先將無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)應(yīng)用在量產(chǎn)車(chē)型上的卻是奔馳——在2017款的S550e混動(dòng)車(chē)型上提供了無(wú)線(xiàn)充電套裝選配。該系統(tǒng)的功率為3.6kW,以匹配S550混動(dòng)車(chē)型8kWh的電池。在2018年,寶馬則將無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)帶到了530e iPerformance上。
從目前的現(xiàn)狀來(lái)看,市面上在售的提供無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的車(chē)型多為豪華品牌的HEV車(chē)型。究其主要原因是:無(wú)線(xiàn)充電相對(duì)其他充電方式充電功率不夠大、充電效率不夠高。而可以切實(shí)解決里程焦慮的無(wú)線(xiàn)充電道路,又因?yàn)槌杀締?wèn)題無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)。這些問(wèn)題使無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)仍停留在“奢飾品”層面。不論是無(wú)線(xiàn)充電道路還是無(wú)線(xiàn)充電的空間優(yōu)勢(shì)都有需要更高的電動(dòng)車(chē)保有量作為支撐。
當(dāng)然,SAE的J2954的頒布從標(biāo)準(zhǔn)層面為無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的推廣提供了基礎(chǔ)。
? 測(cè)試(車(chē)輛、充電器、系統(tǒng))
? 最低效率
? 車(chē)輛、充電單元的定位
? 住宅/道路充電的潛在公共位置
? 頻率(頻段)
? 無(wú)線(xiàn)通信與軟件
? 無(wú)線(xiàn)通信與軟件
? 互操作性
與此同時(shí),關(guān)于電動(dòng)車(chē)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)仍有一些問(wèn)題需要深入挖掘。比如在磁場(chǎng)環(huán)境下的安全問(wèn)題;比如發(fā)射器和接收器之間氣隙的異物通信問(wèn)題;比如車(chē)輛與充電板的定位問(wèn)題——而這些問(wèn)題也都是由于無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)特有的充電方式所造成的。
可以預(yù)見(jiàn)的是,無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)在未來(lái)幾年將越來(lái)越多的出現(xiàn)在量產(chǎn)車(chē)型上。而無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的大量普及則必須要等到電動(dòng)車(chē)保有量達(dá)到一定程度之后。
