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(cháng)島建立了沃登克里夫塔進(jìn)行無(wú)線(xiàn)輸電試驗,然而,一百多年過(guò)去了,這項技術(shù)卻還未普及。
這又到底是為什么?
無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的原理和結構
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)圈又在法拉第感應定律下產(chǎn)生交流電,進(jìn)而達到充電的目的。
汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的基本設備構成共有六部分。如圖中所示,1、2、3為地面設備,4、5、6為安裝在車(chē)輛上的設備。
1. PFC(功率因數校正)+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)生的交流電轉化為直流電并通過(guò)傳輸模塊儲存在電池包當中。
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。
? 相比傳統充電方式,無(wú)線(xiàn)充電設備對于空間需求更低。
充電效率如何?
充電效率是衡量充電方式的重要指標,從理論上講,無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的充電效率可以達到95%以上。當然,達到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。
圖中的縱坐標為充電效率,橫坐標為接收器和發(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)現當接收器和發(fā)射器距離到達臨界值時(shí),充電效率會(huì )大幅下降。
再比如,接收器和發(fā)射器的對齊程度。
對于一個(gè)既定的無(wú)線(xiàn)充電系統來(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。對于圖中這個(gè)典型系統來(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。對于一輛四五米長(cháng),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(zhù)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)系統更加緊密的結合了起來(lái)?，F在大多數豪華車(chē)都有這個(gè)功能,但現在無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)要求它更加準確,它需要找出地墊的確切位置。一般用三角測量法或磁矢量法。然后將定位信息傳達給汽車(chē)的停車(chē)系統,汽車(chē)試圖將自己準確的定位在地墊的頂部。它停得越好,效率就越高。
如果你認為只要通過(guò)自動(dòng)泊車(chē)精確停車(chē)并設計一個(gè)小的氣隙就能高效的使用無(wú)線(xiàn)充電,那可就大錯特錯了。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。而能量傳輸又對發(fā)射和接收頻率的匹配度要求苛刻。這就需要不斷地補償不斷變化的氣隙、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 控股公司達成合作,將旗下的Halo無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)應用于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,又因為成本問(wèn)題無(wú)法在短時(shí)間內實(shí)現。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)勢都有需要更高的電動(dòng)車(chē)保有量作為支撐。
當然,SAE的J2954的頒布從標準層面為無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的推廣提供了基礎。
? 測試(車(chē)輛、充電器、系統)
? 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。
可以預見(jiàn)的是,無(wú)線(xiàn)充電系統在未來(lái)幾年將越來(lái)越多的出現在量產(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)保有量達到一定程度之后。
