iPhone 都能无线充电了,电动车的无线充电还会远吗?

· Nov 16, 2017

前段时间,苹果秋季发布会的开幕又一次掀起了 iPhone 购买热潮,而 iPhone X 以及 iPhone 8/8 Plus 机型对于无线充电技术的支持也成为大家讨论的热点。

不过,这项技术不仅仅只能用在手机上面。很早之前,就有人提出电动汽车无线充电方案。尽管想法诞生的很早,但是我们也能发现,无线充电技术在电动汽车领域的落地速度似乎并不够快。

究竟是什么原因导致今天这种状况?无线充电又是否具备足够强的技术潜力成为电动汽车的下一种充电形态?这篇文章我们来聊聊这些问题。

无线充电的技术原理

单纯从技术角度分析,无线充电的物理原理并不复杂,各家公司普遍选择两种技术路线:1、电磁感应方案。2、磁场共振方案。

电磁感应方案:

其实早在 1831 年,Michael Faraday(迈克尔·法拉第)就发现了磁与电之间的转化关系,一旦穿过闭合回路的磁通量发生变化,闭合回路中就会产生感应电流,这种现象就叫做「电磁感应」,而电磁感应现象也成为了无线充电技术方案的理论基础。充电器中安装一个初级线圈,同时具备一定频率的交流电,随后电动汽车内部的次级线圈也会产生电流,最终为车载动力电池完成充电。

磁场共振方案:

磁场共振方案也被叫作是「谐振式」方案,当固定频率的交流电通过发射线圈中时,由于谐振作用,会建立起相应强度的电磁场,随后变化的磁通量会在接受线圈中感应出电流。通常情况下,只需要两个谐振线圈就可以完成无线充电,但为了使发射线圈与电源隔离、接受线圈与负载隔离,通常谐振式方案中还会再配备两个线圈。

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(谐振式方案示意图)

哪些公司在做这件事?

纸上谈兵肯定不过瘾,实际应用才是验证技术可行性最好的方式,那么现在到底有哪些公司在车用无线充电领域深耕?

高通

除了智能手机芯片之外,无线充电技术方案也是高通的一项业务重点。在具体应用落地方面,高通也领先于其他竞争对手。目前,他们的 WEVC(Wireless Electric Vehicle Charging)部门分布在全球 8 个城市,分别为:奥克兰、上海、东京、苏黎世、慕尼黑、伦敦、底特律以及圣迭哥。

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经常看 Formule E 比赛的同学应该会发现,安全车宝马 i8 以及医疗车 i3 使用了无线充电技术,具体来说,就是高通的「Halo」方案。

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(图片来源:slashgear)

高通无线充电系统采用的是谐振式方案,目前他们一共研发了 4 种不同功率的样机以及解决方案,每套无线充电方案适用于不同车型(插电式混动车型、纯电动车型)以及不同应用场景(公共充电、家庭充电)。

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谐振式方案当中,线圈的形状直接影响无线充电效率,而线圈形状主要分圆形线圈、螺旋状线圈以及 DD 线圈三种。

圆形线圈的电磁辐射量较小、充电质量高,不过缺点也很明显,耦合系数角度低、Z 轴充电范围小、X 轴和 Y 轴的充电宽容度低(X、Y、Z 指数学坐标系方向)。

螺旋状线圈的耦合系数高,同时也解决了 X 轴、Y 轴、Z 轴充电宽容度低的缺点,不过电磁辐射量以及充电质量方面却存在缺陷。

而「DD」型线圈则解决了上述所有缺点,因此高通最终选择这种线圈研发无线充电方案。

这里单独解释一下,X 轴和 Y 轴的充电宽容度越高,对于用户停车位置的要求就越低,而 Z 轴的充电范围大,也就等同于 SUV、轿车、MPV 等不同底盘高度的车型全部可以进行无线充电。

说了这么多,有人会问,高通既然在研发环节走了这么远,是否会有量产技术方案落地?答案当然是「肯定」的。他们目前正在与宝马合作,将无线充电系统搭载到一辆宝马 530e 上进行测试,具体细节请看下面这个视频:

用户将车停在无线充电发射端上方时,车载大屏当中会显示位置提示。同时,用户还可以通过手机 App 直接查看充电状态。

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只有宝马还不够,高通与奔驰也达成了合作。明年,搭载无线充电技术方案的奔驰 S550e 就将推向市场。

刚才提到的所有技术方案都应该归于静态无线充电,也就是车辆需要在静止状态下进行充电。除了这种方式外,高通还在尝试研发动态无线充电方案,车辆可以一边行驶一边进行充电。

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与静态无线充电将发射端地表安装或者水平安装的方式不一样,想要实现动态无线充电,必须将发射端埋入地下。高通在巴黎尝试建立了一条总长 100 米的测试道路,最大充电功率 20kW。测试道路下面,包含一个中央控制器以及各个子单元的控制器,子单元控制器可以确保一件事,一旦个别发射端发生故障,其他发射端依然可以为车辆充电,确保正常行驶。虽然是动态无线充电,不过也要满足一项前提条件才能实现,那就是车速不能超过 120km/h。下面这个视频展示了高通研发测试动态无线充电方案的一些细节:

Witricity

Witricity 起源于麻省理工实验室,与高通一样,他们也选择采用谐振式方案开发无线充电技术。2007 年,MIT 助理教授 Marin Soljacic 和他的团队曾做了一个为灯泡进行无线充电的演示,其中就用到了谐振式线圈供电。

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对于无线充电技术,Witricity 并没有仅仅停留在研发阶段。他们与丰田、本田、日产等车企达成合作共同进行无线充电研发。另外,Witricity 还曾与通用共同测试无线充电系统,同时准备将这套系统应用在雪佛兰 Volt、Bolt 两款车型上。虽然在商业化落地进程中,Witricity 暂时落后于高通,不过由于学术出身的背景,Witricity 参与了 SAE 无线充电技术标准的制订。

Evatran

Evatran 总部位于美国里士满,与高通、Witricity 不同,他们选择使用电磁感应技术路线打造无线充电方案。2012 年,Evatran 曾与丰田合作共同研发无线充电系统。而在去年,他们开发了一套 Plugless Power 系统,能够为特斯拉 Model S 提供无线充电,并且不影响原有充电系统。随后,他们还开发出了一系列后装无线充电产品。去年 7 月,中国万安科技收购 Evatran75%的股份,同时在中国成立了合资公司。

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庞巴迪

庞巴迪主要将无线充电技术方案用在了巴士车上,他们也选用了电磁感应技术路线。目前,庞巴迪在德国曼海姆、柏林等地区开通了电动巴士无线充电服务,他们主要利用巴士在终点站的停留时间完成充电。一旦无线充电技术可以大规模应用,电动巴士车上可以搭载更少的电池组,节约电能的同时也可以预留出更多车内空间给乘客使用。现阶段,他们的「PRIMOVE」无线充电方案可以实现 200kW、400kW 两种充电功率。

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除了刚才提到的这些公司,国内包括中兴通讯、中惠创智以及伽行科技等公司也在进行电动汽车无线充电技术方案研发。主机厂方面,前段时间刚刚发布的全新一代奥迪 A8L e-tron 宣布支持无线充电。Tier 1 供应商方面,大陆则在今年宣布他们开发了一套功率为 11kW 的无线充电系统。

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(奥迪 A8L e-tron 无线充电,图片来自汽车之家)

优缺点及应用场景

缺点:

1、成本问题依然是阻碍无线充电技术落地的最主要因素,产业链上下游对于新技术的过渡还需要一定时间,只有彻底打通之后成本才会回归到合理范围内。

2、除了成本之外,与有线充电相比,无线充电技术的充电速度依然存在差距。通常情况下,民用电动车的无线充电功率保持在 10kW 到 20kW 之间,充电速度方面与时下流行的「快充」技术还有一定差距。

3、政策以及标准问题也是一个不可忽略的环节,SAE 曾拟定了一套 J2954 无线充电指南,准备将 85kHz 频带作为统一充电频率使用。不出意外的话,统一标准将在明年正式公布。

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优点:

占地面积小,充电体验轻松等特点决定了无线充电技术依然具备相当大的市场潜力。而对于大家担心的辐射问题,现阶段并没有得到具体验证。不过,高通目前开发出了一套活体检测功能,一旦人类等动物靠近,无线充电可以立即停止,辐射问题将不再成为这项技术大规模应用的阻碍。

应用场景:

无线充电与共享用车、自动驾驶等场景具备高度契合度。一旦技术落地,用户分时租赁还车时不再需要自行连接充电桩,还车体验提升的同时,车辆损耗也会降低很多。而对于自动驾驶汽车而言,车辆只需要自行驶至无线充电指定位置,充电就会自动开始,所谓的「最后一公里」问题也可以得到解决。

总之,尽管有种种问题存在,但是无线充电在我们看来仍然是一项有实际价值的新能源车充电解决方案。

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在判断汽车产业之前,咱们可以简单回顾一下此前无线充电技术在手机领域的应用。2012 年,诺基亚发布 Lumia920,而这也是首款支持无线充电的智能手机,不过一直到 2015 年三星 S6 为止,无线充电技术依然没有大规模应用。究其原因,Windows Phone 以及安卓对于智能手机的话语权才是最大问题,直到这一次苹果三款 iPhone 宣布支持无线充电技术后,大家才开始相信这项技术未来或许将彻底取代有线充电。

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历史往往总是惊人的相似,尽管车用无线充电标准尚未完全确定、成本还未大幅下降,不过有一点依然可以确定,由于技术本质的存在,静态无线充电依然是电动车未来充电形态的发展方向。

当然,至于无线充电技术何时大规模落地,还是要看主机厂、Tier 1、相关科技公司以及政策部门的推进力度及协调度。如果供应层面可以降低成本,同时法律方面顺利过渡,或许 2020 年左右,我们就将有机会摆脱充电桩、充电线,进入一种全新的电动汽车充电形态。


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