提起電動汽車無線充電技術(shù)(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(shù)在原理上與手機無線充電技術(shù)在原理上別無二致。1901年,尼古拉·特斯拉在紐約長島建立了沃登克里夫塔進行無線輸電試驗,然而,一百多年過去了,這項技術(shù)卻還未普及。
這又到底是為什么?
無線充電技術(shù)的原理和結(jié)構(gòu)
無線充電技術(shù)的基本原理其實就是我們中學(xué)時期學(xué)過的電磁感應(yīng)原理。功率通過磁場在線圈之間傳輸,通過發(fā)射線圈的交流電根據(jù)安培定律產(chǎn)生震蕩磁場,磁場通過接收線圈又在法拉第感應(yīng)定律下產(chǎn)生交流電,進而達到充電的目的。
汽車無線充電技術(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為安裝在車輛上的設(shè)備。
1. PFC(功率因數(shù)校正)+逆變器
2. 震蕩磁場發(fā)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
壁箱中內(nèi)置了逆變器和PFC并與主電網(wǎng)連接,震蕩磁場發(fā)射器放置在車輛下方的地面上,震蕩磁場發(fā)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)化為直流電并通過傳輸模塊儲存在電池包當(dāng)中。
無線充電技術(shù)的幾大優(yōu)點:
? 依托自動駕駛技術(shù)的發(fā)展,通過無線充電技術(shù)可以實現(xiàn)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里程焦慮。
? 相比傳統(tǒng)充電方式,無線充電設(shè)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(biāo),從理論上講,無線充電技術(shù)的充電效率可以達到95%以上。當(dāng)然,達到95%需要滿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(fā)現(xiàn)當(dāng)接收器和發(fā)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(fā)射器的對齊程度。
對于一個既定的無線充電系統(tǒng)來說,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。對于圖中這個典型系統(tǒng)來說,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,近兩米寬的汽車來說,7.5厘米這個停車精度著實不低了。也正是如此,才將無線充電技術(shù)和自動泊車系統(tǒng)更加緊密的結(jié)合了起來。現(xiàn)在大多數(shù)豪華車都有這個功能,但現(xiàn)在無線充電技術(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的停車系統(tǒng),汽車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自動泊車精確停車并設(shè)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(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,將旗下的Halo無線充電技術(shù)應(yīng)用于Formula E電動方程式賽車上。在之后的2015年,裝配有 Qualcomm Halo 7.4kW無線充電系統(tǒng)的寶馬i8開始成為全新的官方安全車。
然后率先將無線充電技術(shù)應(yīng)用在量產(chǎn)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(tǒng)的功率為3.6kW,以匹配S550混動車型8kWh的電池。在2018年,寶馬則將無線充電技術(shù)帶到了530e iPerformance上。
從目前的現(xiàn)狀來看,市面上在售的提供無線充電技術(shù)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。而可以切實解決里程焦慮的無線充電道路,又因為成本問題無法在短時間內(nèi)實現(xiàn)。這些問題使無線充電技術(shù)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(yōu)勢都有需要更高的電動車保有量作為支撐。
當(dāng)然,SAE的J2954的頒布從標(biāo)準層面為無線充電技術(shù)的推廣提供了基礎(chǔ)。
? 測試(車輛、充電器、系統(tǒng))
? 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(guān)于電動車無線充電技術(shù)仍有一些問題需要深入挖掘。比如在磁場環(huán)境下的安全問題;比如發(fā)射器和接收器之間氣隙的異物通信問題;比如車輛與充電板的定位問題——而這些問題也都是由于無線充電技術(shù)特有的充電方式所造成的。
可以預(yù)見的是,無線充電系統(tǒng)在未來幾年將越來越多的出現(xiàn)在量產(chǎn)車型上。而無線充電技術(shù)的大量普及則必須要等到電動車保有量達到一定程度之后。
