無線充電：促進(jìn)電動(dòng)汽車普及的重要技術(shù)

文／朱帥

無線充電設(shè)想的出現(xiàn)已有百年。目前，無線充電在小功率設(shè)備上已經(jīng)得到應(yīng)用。但用在大功率設(shè)備，如電動(dòng)汽車上，仍然面臨技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、充電效率、傳遞功率等問題。隨著無線充電技術(shù)的不斷改進(jìn)，電動(dòng)汽車普及的前景仍值得期待。

無線充電技術(shù)（Wireless charging technology, WCT），源于無線電能傳輸技術(shù)（WPT），目前已經(jīng)大規(guī)模商業(yè)化推廣，主要應(yīng)用于小功率設(shè)備的充電上，而應(yīng)用于電動(dòng)汽車充電的大功率無線充電正成為各大汽車廠商的關(guān)注焦點(diǎn)。

無線充電帶來變革

目前各類電動(dòng)汽車的充電方式主要以充電站、充電樁或更換電池的模式為主，雖然全球充電站和充電樁的建設(shè)速度日益加快，但仍然無法匹配電動(dòng)汽車快速增長的需求，成為了制約電動(dòng)汽車發(fā)展的最大瓶頸之一。

WCT作為一種新興的充電技術(shù)，相比于傳統(tǒng)充電技術(shù)，具備可靠性高、安全性高、空間利用率高、單位投資效益高、建設(shè)時(shí)間短、使用與管理便捷等優(yōu)勢。

一是可靠性高。傳統(tǒng)有線充電站模式在惡劣天氣條件下使用非常不便，充電設(shè)備易受環(huán)境影響產(chǎn)生積塵老化等問題，后續(xù)設(shè)備維護(hù)難度高成本大。而無線充電可以采取密封安裝與無接觸使用，可在惡劣天氣條件下進(jìn)行使用并提高了可靠性。

二是安全性高。電動(dòng)汽車無線充電沒有外露的連接器，徹底避免漏電、跑電等安全隱患，保障人身安全。

三是空間利用率高。由于無線充電設(shè)備貼近地面安裝，甚至可以埋入地下，在相同建設(shè)面積情況下，可植入的充電設(shè)備數(shù)量更多，增加了充電站空間利用率。

朱帥 賽迪智庫世界工業(yè)所

四是單位投資效益高。2000萬元投資，有線充電僅能提供4～8個(gè)停車位，支持40輛左右大巴，而無線充電可建造80個(gè)停車位，支持400輛大巴，或1000輛左右乘用車停車位。

五是建設(shè)時(shí)間短。相比于一個(gè)有線充電站需要約6個(gè)月時(shí)間建設(shè)，無線充電僅需一個(gè)月，其中包含兩周水泥凝固時(shí)間。

六是使用與管理便捷。無線充電設(shè)備簡化了充電流程，可以配合網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無人化管理，無需專業(yè)人員值守，將來更可以配合自動(dòng)駕駛與車聯(lián)網(wǎng)，在方便了用戶的同時(shí)也降低了充電站的運(yùn)營成本。

無線充電發(fā)展歷程

最早提出WCT設(shè)想的是尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）。1890年，特斯拉提出：把地球作為導(dǎo)體，在地球與電離層之間建立起低頻共振，利用環(huán)繞地球的表面電磁波來遠(yuǎn)距離傳輸電力。1901年，特斯拉嘗試建立瓦登克萊弗塔（Wardenclyffe Tower）。這其實(shí)是一個(gè)大功率的無線發(fā)射塔，按照特斯拉的設(shè)想，它可以向大西洋對岸傳送電話、廣播，甚至無線輸電。由于缺乏足夠資金，特斯拉的嘗試以失敗告終。但人類對WCT的研究并未就此終結(jié)。在隨后的幾十年中，經(jīng)過不斷的研究與改善，WCT逐漸普及推廣。

2 0世紀(jì)6 0年代初期，雷神公司（Raytheon）做了大量的無線充電研究工作，從而奠定了無線充電的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，使這一概念變成了現(xiàn)實(shí)。

2007年6月，麻省理工學(xué)院（MIT）的Marin Soljacic帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)在美國《科學(xué)》雜志的網(wǎng)站上發(fā)表了研究成果，團(tuán)隊(duì)利用電磁共振器和電源隔空點(diǎn)亮了一盞2m開外的60W 電燈泡。這項(xiàng)技術(shù)最遠(yuǎn)傳輸電能距離為2.7m，但研究者相信，電源已經(jīng)可以在這范圍內(nèi)為電池充電。而且只需要安裝一個(gè)電源，就可以為整個(gè)屋里的電器供電。

無線充電技術(shù)方式

WCT簡單來說是將電能轉(zhuǎn)化為可無線傳播的能量形式并發(fā)射出去，然后再在接收端將接收到的能量轉(zhuǎn)化為電能，從而實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸，并進(jìn)一步將電能存儲(chǔ)到電池內(nèi)實(shí)現(xiàn)充電。

WCT可以分為四種類型，第一類是通過“電磁感應(yīng)”（MI）磁耦合進(jìn)行短程傳輸，第二類是將電能以電磁波“射頻”或非輻射性諧振“磁場共振”（MR）等形式傳輸，第三類是將電能以微波的形式無線傳送，即“無線電波”形式，第四類則是“電場耦合”方式。

電磁感應(yīng)式WCT，是利用電磁感應(yīng)的原理，通過線圈間的感應(yīng)耦合作用使能量從發(fā)射線圈轉(zhuǎn)移到接收線圈，從而實(shí)現(xiàn)短距離的無線電能傳輸，類似于變壓器的原理。電磁感應(yīng)式WCT的主要優(yōu)勢在于工作頻率一般為幾十KHz，輸出功率大、效率高。磁感應(yīng)能量耦合一般會(huì)采用鐵氧體磁芯，能夠大大提高線圈間耦合系數(shù)，提高無線傳輸效率。缺點(diǎn)是對位·敏感度特別高，需要原邊側(cè)和副邊側(cè)距離貼近且位·高度對準(zhǔn)，傳輸距離較近，一般為幾mm 到數(shù)十cm 距離。

磁場共振式WCT，同樣采用電磁感應(yīng)原理，不同之處在于發(fā)射與接收線圈采用諧振方式工作。將發(fā)射線圈的工作頻率與接收線圈的諧振頻率調(diào)節(jié)一致，形成共振，可以在接收線圈中產(chǎn)生電流，實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸。磁場共振式WCT的主要優(yōu)勢在于可以實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)距離傳輸，能夠達(dá)到幾cm至幾m；對于線圈對位精度要求不高，有助于充電設(shè)備建設(shè)；發(fā)射裝·與接收裝·都可以采用密封結(jié)構(gòu)，對于惡劣環(huán)境的可靠性與適應(yīng)度很高。缺點(diǎn)是損耗很高，距離越遠(yuǎn)，傳輸功率越大，損耗也就越大，必須對使用的頻段進(jìn)行保護(hù)。

無線電波式WCT，主要由微波·射裝置和微波接收裝置組成。接收電路可以捕捉到從墻壁彈回的無線電波能量，在隨負(fù)載作出調(diào)整的同時(shí)保持穩(wěn)定的直流電壓。

電場耦合式WCT，利用通過沿垂直·向耦合的兩組非對稱偶極子而產(chǎn)生的感應(yīng)電場來傳輸電能，其基本原理是通過電場將電能從·送端轉(zhuǎn)移到接收端。

無論哪種類型，其實(shí)都是為了解決一個(gè)問題：充電便利性。綜合來看，電磁感應(yīng)式與磁場共振式是目前最為合適的WCT，目前正在進(jìn)行無線充電研發(fā)的車型幾乎都使用此兩種技術(shù)。

電動(dòng)汽車采用電磁感應(yīng)式或磁場共振式其構(gòu)型基本一致，將充電電纜和反射線圈埋設(shè)在停車位組成供電機(jī)構(gòu)，當(dāng)車輛駛?cè)胪＼囄?，安裝在車輛底部的接收線圈與發(fā)射線圈重合，車輛與充電服務(wù)器建立通信開始充電，發(fā)射線圈產(chǎn)生交變磁場，接收線圈產(chǎn)生電流通過逆變器將電能傳遞到電池。

當(dāng)前研發(fā)無線充電的主要企業(yè)

從技術(shù)路徑而言，目前正在進(jìn)行無線充電研發(fā)的車型幾乎都使用電磁感應(yīng)式或磁場共振式WCT。

采用電磁感應(yīng)式的企業(yè)主要有寶馬、奔馳、奧迪、沃爾沃等。

寶馬在2017年9月宣布，2018款530e混動(dòng)汽車將配有無線充電系統(tǒng)配件。寶馬汽車的無線充電系統(tǒng)由一個(gè)可以安裝在車庫的集成初級線圈基座構(gòu)成，車庫的上層可以安裝一個(gè)次級線圈。在兩個(gè)線圈之間產(chǎn)生交變磁場，電力以高達(dá)3.2kW的充電速率進(jìn)行無電纜傳輸。具體使用時(shí)，客戶只要將車停于充電板上后熄火，無線電充電功能將自動(dòng)啟動(dòng)。寶馬530e搭載9.4千瓦時(shí)電池，大概需要3.5個(gè)小時(shí)就可以充滿，充電速度比3.7kW的車載充電器要慢一些，僅供2018款寶馬530e在電動(dòng)模式下能行駛16英里（26公里）。

梅賽德斯奔馳計(jì)劃于2018年推出首款無線充電系統(tǒng)，感應(yīng)充電墊子被放置在車庫或車道的地板上，車庫或車道將動(dòng)力傳遞到安裝在車輛下側(cè)的接收器板。當(dāng)車輛進(jìn)入充電墊的范圍時(shí)，汽車顯示屏上的指示燈將引導(dǎo)用戶進(jìn)入最有效充電的最佳位置。該系統(tǒng)支持的充電功率僅限于3.6 kW，意味著充電將需要更長時(shí)間。

奧迪于2017年7月亮相的A8L e-tron插電式混動(dòng)車采用無線充電技術(shù)，當(dāng)車輛行駛到無線充電基座上時(shí)，基座會(huì)自動(dòng)升起，貼近車輛底盤上的次級線圈通過磁場接收電能，功率為3.6kW。該無線充電技術(shù)的充電效率可達(dá)90%。

采用電磁共振式的企業(yè)主要有高通、豐田等。

高通是電動(dòng)汽車無線充電的領(lǐng)先廠家，通過收購專注于無線充電的公司Halo，獲取WCT。高通于2017年5月發(fā)布新聞稱，已經(jīng)完成了電動(dòng)汽車行駛中無線充電試驗(yàn)，在100km時(shí)速情況下，能達(dá)到20kW的無線充電功率，并且測試了同時(shí)對兩輛行駛中的車輛進(jìn)行無線充電。高通稱該項(xiàng)技術(shù)為DEVC，即動(dòng)態(tài)電動(dòng)汽車充電（dynamic electric vehicle charging），是其無線電動(dòng)汽車充電WEVC（wireless electric vehicle charging）解決方案的一種新方式。

除高通外，WiTricity，Evatran，KAIST等也提供面向電動(dòng)汽車的WCT。

WiTricity研發(fā)的DRIVE 11無線充電系統(tǒng)，最大功率輸出為11kW，最高能效達(dá)到94%，該產(chǎn)品參照電動(dòng)車及混動(dòng)車標(biāo)準(zhǔn)版無線充電器的設(shè)計(jì)。DRIVE 11采用了可互操作性設(shè)計(jì)，其地面發(fā)射板（GA）可為車輛提供充電服務(wù)，提供三種業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)（3.6kW、7.7kW或11kW），可直接在地面上或采用地埋鋪設(shè)（ground-in）的方式安裝。DRIVE 11車載接收板（VA）也提供低、中、高地隙（low-, mid-, and highground clearance）三種版本，可為各類乘用車、SUV及輕卡充電。

Evatran開發(fā)出了Plugless Power系統(tǒng)，可為特斯拉Model S提供無線充電。安裝完成后，用戶只需將車停到充電板上就可充電。從充電效果看，該系統(tǒng)相當(dāng)于7.2kW二級線圈式充電樁，每小時(shí)充電量可供行駛20英里，對Model S60而言，充滿電量需要8小時(shí)，Model S70需要10小時(shí)，Model S85需要12小時(shí)。如果沒有車庫，系統(tǒng)還能安裝到戶外，因?yàn)樗烙晁?，能?jīng)受的溫度范圍約-18℃到50℃。

無線充電面臨的主要問題

雖然WCT優(yōu)點(diǎn)明顯，但也存在不少問題。

一是無統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。目前全球WCT標(biāo)準(zhǔn)包括兩大聯(lián)盟：WPC和AirFuel Alliance（2015年1月，PMA和A4WP宣布合并）。Qi標(biāo)準(zhǔn)由WPC制定，主推電磁感應(yīng)式。 AirFuel的標(biāo)準(zhǔn)由其前身之一A4WP制定，主推磁場共振式。不過，目前標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一化正在推進(jìn)。

二是充電效率問題。單純從效率數(shù)值角度來看，WCT的充電效率峰值一般在90%左右，而傳統(tǒng)充電效率可達(dá)95%。不過，隨著技術(shù)研發(fā)投入的不斷加大，已有多家公司表示實(shí)現(xiàn)了無線充電效率的大幅提升。

三是傳遞功率不夠大，以目前的技術(shù)大多數(shù)傳遞功率一般在10kW以下。不過，在電動(dòng)汽車上無線充電一般為慢充，這個(gè)功率是滿足需求的，另外隨著技術(shù)發(fā)展這個(gè)功率也會(huì)不斷提升。

四是電磁輻射安全。WCT以電磁波的形式進(jìn)行能量傳輸，可能會(huì)造成終端用戶對于電磁輻射安全的憂慮。不過，根據(jù)對無線充電樁磁感應(yīng)強(qiáng)度檢測，數(shù)值遠(yuǎn)低于ICNIRP（國際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)）給出的安全限值，電動(dòng)汽車無線充電的輻射值在安全范圍以內(nèi)。

無線充電的未來趨勢

未來，車企WCT商用化進(jìn)程將進(jìn)一步加速。

一方面是行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的確立和完善。2016年5月，美國汽車工程師協(xié)會(huì)（SAE International）發(fā)布了以WPT（Wireless Power Transfer）為純電動(dòng)及插電混動(dòng)汽車充電的技術(shù)指南——SAE TIR J2954。制定了低速充電方面的無線能量傳輸?shù)腤PT協(xié)議，并為高速充電模式預(yù)留空間。SAE TIR J2954出臺(tái)目的是保證車用無線充電應(yīng)用的安全性和高效性，同時(shí)促成關(guān)鍵零部件參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，計(jì)劃在2018年完成最終的標(biāo)準(zhǔn)化工作。汽車產(chǎn)業(yè)將這項(xiàng)指南的發(fā)布視為推動(dòng)無線充電標(biāo)準(zhǔn)化的關(guān)鍵一步。此外，國際電工委員會(huì)（IEC）也在IEC 61980標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，發(fā)布了兩個(gè)重要的補(bǔ)充規(guī)定61980-2和61980-3，進(jìn)一步完善了整車無線充電標(biāo)準(zhǔn)。大功率無線充電標(biāo)準(zhǔn)逐步完善。

另一方面是無線充電車道的推廣。無線充電車道類似于加油站，當(dāng)電動(dòng)汽車電量不足時(shí)，就可以駛?cè)脘佋O(shè)有無線充電系統(tǒng)的車道上，邊走邊充電，而且全過程不需要駕駛者下車操作。2013年，韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST）開發(fā)一個(gè)名為“網(wǎng)上電動(dòng)車”（OLEV）的平臺(tái)，推出了世界上第一條可連續(xù)充電的公交車道。感應(yīng)充電依賴于道路下面的磁場充電板和公交車?yán)锏拇艌龀潆姲?。?dāng)支持感應(yīng)充電的公交車經(jīng)過道路上的磁場充電板時(shí)，二者就會(huì)“連通”，電流就會(huì)進(jìn)行傳輸，從而給車上的電池充電。2016年，我國首條電動(dòng)汽車無線充電車道在廣西面世。目前，包括中國在內(nèi)，全世界多國都在研制無線充電車道，未來其推廣程度將進(jìn)一步加大。

由于具備可靠性高、安全性高、空間利用率高、使用與管理便捷等優(yōu)勢，WCT將成為未來電動(dòng)汽車充電設(shè)備的主要發(fā)展方向之一?？傮w來看，目前大功率WCT已經(jīng)較為成熟，WCT的發(fā)展將首先尋求與主流傳統(tǒng)充電技術(shù)的共存，逐漸改善充電設(shè)施的便捷性與適用性，然后結(jié)合無人駕駛與車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)全面的推廣普及。未來技術(shù)升級與普及推廣將帶來無線充電設(shè)備制造成本的進(jìn)一步降低，隨著新能源汽車的不斷普及，相應(yīng)對充電設(shè)施的需求也呈幾何級別增長，WCT將深刻改變目前電動(dòng)汽車充電設(shè)備的格局。