提起电动汽车无线充电技术(Wireless Charging),我们依然绕不开100年前那位旷世奇才特斯拉(Nikola Tesla),电动汽车无线充电技术在原理上与手机无线充电技术在原理上别无二致。1901年,尼古拉·特斯拉在纽约长岛建立了沃登克里夫塔进行无线输电试验,然而,一百多年过去了,这项技术却还未普及。 

这又到底是为什么?

无线充电技术的原理和结构

无线充电技术的基本原理其实就是我们中学时期学过的电磁感应原理。功率通过磁场在线圈之间传输,通过发射线圈的交流电根据安培定律产生震荡磁场,磁场通过接收线圈又在法拉第感应定律下产生交流电,进而达到充电的目的。

汽车无线充电技术的基本设备构成共有六部分。如图中所示,1、2、3为地面设备,4、5、6为安装在车辆上的设备。

1. PFC(功率因数校正)+逆变器

2. 震荡磁场发射器

3. 电磁场

4. 震荡磁场接收器

5.  整流器和传输模块

6.  电池包

壁箱中内置了逆变器和PFC并与主电网连接,震荡磁场发射器放置在车辆下方的地面上,震荡磁场发射器与震荡磁场接收器之间是充满电磁场的气隙,磁场通过接收器产生交流电,整流器又将接收器产生的交流电转化为直流电并通过传输模块储存在电池包当中。 

无线充电技术的几大优点: 

• 依托自动驾驶技术的发展,通过无线充电技术可以实现电动车辆充电的全自动化,极大的提高了便利性。

• 相比其他充电方式,无线充电方式理论上可以做到边走边充,这种方式极大的解决电动车的里程焦虑。

• 相比传统充电方式,无线充电设备对于空间需求更低。

充电效率如何?

充电效率是衡量充电方式的重要指标,从理论上讲,无线充电技术的充电效率可以达到95%以上。当然,达到95%需要满足一系列的有趣的条件。

比如,发射器和接收器之间的距离。 

图中的纵坐标为充电效率,横坐标为接收器和发射器之间的距离和发射器直径之比。不同颜色的线条代表的是不同尺寸的接收器。通过图中的曲线,我们很容易发现当接收器和发射器距离到达临界值时,充电效率会大幅下降。

再比如,接收器和发射器的对齐程度。 

对于一个既定的无线充电系统来说,关于发射器和接收器位置的偏差将是决定充电效率的重要因素。对于图中这个典型系统来说,50厘米直径的发射器和25厘米直径的接收器,最大偏差是7.5厘米。对于一辆四五米长,近两米宽的汽车来说,7.5厘米这个停车精度着实不低了。也正是如此,才将无线充电技术和自动泊车系统更加紧密的结合了起来。现在大多数豪华车都有这个功能,但现在无线充电技术要求它更加准确,它需要找出地垫的确切位置。一般用三角测量法或磁矢量法。然后将定位信息传达给汽车的停车系统,汽车试图将自己准确的定位在地垫的顶部。它停得越好,效率就越高。

如果你认为只要通过自动泊车精确停车并设计一个小的气隙就能高效的使用无线充电,那可就大错特错了。无线充电技术的能量传输发生在低阻尼的谐振模式下,这就大大增加了匹配发射和接收频率的困难程度。而能量传输又对发射和接收频率的匹配度要求苛刻。这就需要不断地补偿不断变化的气隙、部件磨损和其他公差来保证频率的匹配。  

为何仍未普及?

早在2013年法兰克福车展前夕,无线充电巨头高通就宣布与Formular E 控股公司达成合作,将旗下的Halo无线充电技术应用于Formula E电动方程式赛车上。在之后的2015年,装配有 Qualcomm Halo 7.4kW无线充电系统的宝马i8开始成为全新的官方安全车。

然后率先将无线充电技术应用在量产车型上的却是奔驰——在2017款的S550e混动车型上提供了无线充电套装选配。该系统的功率为3.6kW,以匹配S550混动车型8kWh的电池。在2018年,宝马则将无线充电技术带到了530e iPerformance上。

从目前的现状来看,市面上在售的提供无线充电技术的车型多为豪华品牌的HEV车型。究其主要原因是:无线充电相对其他充电方式充电功率不够大、充电效率不够高。而可以切实解决里程焦虑的无线充电道路,又因为成本问题无法在短时间内实现。这些问题使无线充电技术仍停留在“奢饰品”层面。不论是无线充电道路还是无线充电的空间优势都有需要更高的电动车保有量作为支撑。 

当然,SAE的J2954的颁布从标准层面为无线充电技术的推广提供了基础。

• 测试(车辆、充电器、系统)

• 最低效率

• 车辆、充电单元的定位

• 住宅/道路充电的潜在公共位置

• 频率(频段)

• 无线通信与软件

• 无线通信与软件

• 互操作性 

可以预见的是,无线充电系统在未来几年将越来越多的出现在量产车型上。而无线充电技术的大量普及则必须要等到电动车保有量达到一定程度之后。