提起電動汽車無線充電技術(Wireless Charging),我們依然繞不開100年前那位曠世奇才特斯拉(Nikola Tesla),電動汽車無線充電技術在原理上與手機無線充電技術在原理上别無二緻。1901年,尼古拉·特斯拉在紐約長島建立了沃登克裡夫塔進行無線輸電試驗,然而,一百多年過去了,這項技術卻還未普及。
這又到底是為什麼?
無線充電技術的原理和結構
無線充電技術的基本原理其實就是我們中學時期學過的電磁感應原理。功率通過磁場在線圈之間傳輸,通過發射線圈的交流電根據安培定律産生震蕩磁場,磁場通過接收線圈又在法拉第感應定律下産生交流電,進而達到充電的目的。
汽車無線充電技術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為安裝在車輛上的設備。
1. PFC(功率因數校正)+逆變器
2. 震蕩磁場發射器
3. 電磁場
4. 震蕩磁場接收器
5. 整流器和傳輸模塊
6. 電池包
壁箱中内置了逆變器和PFC并與主電網連接,震蕩磁場發射器放置在車輛下方的地面上,震蕩磁場發射器與震蕩磁場接收器之間是充滿電磁場的氣隙,磁場通過接收器産生交流電,整流器又将接收器産生的交流電轉化為直流電并通過傳輸模塊儲存在電池包當中。
無線充電技術的幾大優點:
• 依托自動駕駛技術的發展,通過無線充電技術可以實現電動車輛充電的全自動化,極大的提高了便利性。
• 相比其他充電方式,無線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車的裡程焦慮。
• 相比傳統充電方式,無線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标,從理論上講,無線充電技術的充電效率可以達到95%以上。當然,達到95%需要滿足一系列的有趣的條件。
比如,發射器和接收器之間的距離。
圖中的縱坐标為充電效率,橫坐标為接收器和發射器之間的距離和發射器直徑之比。不同顔色的線條代表的是不同尺寸的接收器。通過圖中的曲線,我們很容易發現當接收器和發射器距離到達臨界值時,充電效率會大幅下降。
再比如,接收器和發射器的對齊程度。
對于一個既定的無線充電系統來說,關于發射器和接收器位置的偏差将是決定充電效率的重要因素。對于圖中這個典型系統來說,50厘米直徑的發射器和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,近兩米寬的汽車來說,7.5厘米這個停車精度着實不低了。也正是如此,才将無線充電技術和自動泊車系統更加緊密的結合了起來。現在大多數豪華車都有這個功能,但現在無線充電技術要求它更加準确,它需要找出地墊的确切位置。一般用三角測量法或磁矢量法。然後将定位信息傳達給汽車的停車系統,汽車試圖将自己準确的定位在地墊的頂部。它停得越好,效率就越高。
如果你認為隻要通過自動泊車精确停車并設計一個小的氣隙就能高效的使用無線充電,那可就大錯特錯了。無線充電技術的能量傳輸發生在低阻尼的諧振模式下,這就大大增加了匹配發射和接收頻率的困難程度。而能量傳輸又對發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保證頻率的匹配。
何仍未普及?
早在2013年法蘭克福車展前夕,無線充電巨頭高通就宣布與Formular E 控股公司達成合作,将旗下的Halo無線充電技術應用于Formula E電動方程式賽車上。在之後的2015年,裝配有 Qualcomm Halo 7.4kW無線充電系統的寶馬i8開始成為全新的官方安全車。
然後率先将無線充電技術應用在量産車型上的卻是奔馳——在2017款的S550e混動車型上提供了無線充電套裝選配。該系統的功率為3.6kW,以匹配S550混動車型8kWh的電池。在2018年,寶馬則将無線充電技術帶到了530e iPerformance上。
從目前的現狀來看,市面上在售的提供無線充電技術的車型多為豪華品牌的HEV車型。究其主要原因是:無線充電相對其他充電方式充電功率不夠大、充電效率不夠高。而可以切實解決裡程焦慮的無線充電道路,又因為成本問題無法在短時間内實現。這些問題使無線充電技術仍停留在“奢飾品”層面。不論是無線充電道路還是無線充電的空間優勢都有需要更高的電動車保有量作為支撐。
當然,SAE的J2954的頒布從标準層面為無線充電技術的推廣提供了基礎。
• 測試(車輛、充電器、系統)
• 最低效率
• 車輛、充電單元的定位
• 住宅/道路充電的潛在公共位置
• 頻率(頻段)
• 無線通信與軟件
• 無線通信與軟件
• 互操作性
與此同時,關于電動車無線充電技術仍有一些問題需要深入挖掘。比如在磁場環境下的安全問題;比如發射器和接收器之間氣隙的異物通信問題;比如車輛與充電闆的定位問題——而這些問題也都是由于無線充電技術特有的充電方式所造成的。
可以預見的是,無線充電系統在未來幾年将越來越多的出現在量産車型上。而無線充電技術的大量普及則必須要等到電動車保有量達到一定程度之後。
