无线充电,对电动汽车来说有用么?

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无线充电,对电动汽车来说有用么?

前一阵,国家发布了关于“电动汽车无线充电”的一系列国家标准。国家标准化管理委员在公告中发布:《电动汽车无线充电系统 第1部分:通用要求》(GB/T 38775.1)、《电动汽车无线充电系统 第2部分:车载充电机与充电设备之间的通信协议》(GB/T 38775.2)、《电动汽车无线充电系统第3部分:特殊要求》(GB/T 38775.3)、《电动汽车无线充电系统第4部分:电磁环境限值与测试方法》(GB/T 38775.4)共4项国家标准。

该标准体系规划标准18 项,规范电动汽车无线充电系统在公共以及私人应用领域的技术要求、性能要求、功能要求、安全要求、通信协议、测试要求及试验方法、互操作性要求及测试方法、施工验收、运行维护等。本次发布4项国家标准,还有4项国标正在编制过程中。

无线充电,在如今这个年代,并不是什么新鲜玩意。

尤其对于诸位正在用手机的朋友们来说,可能刚刚把手机从无线充电板上拿起来。不过对于电动汽车来说,无线充电技术一直都处在“只闻其声,不见其人”的阶段,尽管近几年有不少车企展示过实车无线充电功能,但终究未能在量产车上搭载,更谈不上普及了。

理论上说,电动汽车无线充电技术不仅仅能够极大提高用户用车的体验,更是为未来自动驾驶使用场景无人化的最后一环做好了铺垫。而之所以迟迟未能真正走向市场,其中一个重要原因就是各个国家对该技术未能尽早制定统一标准,从而产生了一系列的“连锁反应”,导致难以规模化、市场化。只有相关标准确定后,行业有可能真正快速发展。

颇有意思的是,在此次发布的国标中,除了由中电联、中国电力企业联合会主导,以及电科院、中汽研两个政府部门的参与,还有唯一一家外企参与了国标制定——WiTricity公司。其实WiTricity还曾参与过北美(SAE J2954)和欧洲(ISO 19363、IEC 61980)两大市场的电动汽车无线充电标准的制定。

这家公司什么来头?这得从无线充电技术本身讲起。

无线充电,起源于迈克尔·法拉第的电磁感应,由尼古拉斯·特斯拉发明,直到近10年才真正落地应用。目前主要有三种方式:电磁感应式、电磁共振式、无线电波式;不过其中无线电波式由于是通过将电磁波转换为电能,所以功率与安全性的平衡问题棘手,目前应用较少,这里暂且不提。

(尼古拉斯·特斯拉对全球无线充电的设想)

电磁感应式,简单理解即是变压器的原理,向初级线圈输送电能,使得次级线圈耦合感应产生电流,从而实现将能量从一端“无线”传输至另一端。

(手机无线充电器原理示意图,图/Real Engineering)

这种方式的原理和硬件要求相对简单,相关标准制定较早,例如我们熟知的Qi无线充电标准是由WPC(Wireless Power Consortium,无线充电联盟)制定。所以这类充电技术已经实现了规模化,其生产成本较低,且经过了市场的考验,较为普及。

缺点则是由于技术原理本身的限制,传输距离太短,随着距离增加,无线充电的损耗会增大,效率降低。所以这也是为什么当手机离开无线充电板稍远一点,就无法充电的原因。

电磁共振式,简单理解即是电磁感应式的“升级版”,本质上是通过电磁共振的技术,在松耦合情况下,提高电磁感应传输效率,从而在保证效率的同时,实现较长的传输距离(充电距离、充电面积比电磁感应方式提升10倍以上)。

(2007年MIT教授Marin Soljačić团队展示的电磁共振无线充电技术)

2007年MIT教授Marin Soljačić团队撰写论文,并展示了电磁共振无线充电技术,用两个5匝铜线圈作为两端,在两米的距离点亮了60W功率的灯泡,效率约为45%。随后该研究团队就采用项目的名字,成立了一家私人公司,即WiTricity,并以此技术申请了相关专利。

相比于电磁感应式,电磁共振式的特性显然更加符合电动汽车无线充电的需求。所以在技术展示公布不久,WiTricity就接到了奥迪、宝马、克莱斯勒、捷豹、日产和丰田抛来的橄榄枝,纷纷表示愿意与其合作。

然而得到资金支持后,应用于电动汽车的无线充电技术发展,并没有如预期般美好。真正落地的车型寥寥无几,例如2018年宝马展示的530e iPerformance,能够以3.2kW的功率无线输送电能。

在此期间,与之竞争的高通公司曾收购Halo无线充电公司,同样大力发展电磁共振式无线充电技术,也曾宣布将在2018年将无线充电技术搭载于奔驰S550e车型上。然而经过多年发展,高通可能认为消费电子市场更为重要,于是在2019年将关于电动汽车无线充电部门和所有技术专利出售给了WiTricity。

此后,WiTricity包揽了大量电动汽车无线充电的专利,并凭借此优势开始在各个地区推进相关标准的制定。

其实专注于电动汽车无线充电技术的公司有不少,但是最终或者沦为实验阶段,或是经过市场考察调研,发现这项技术似乎并没有前景,最终放弃,转而奔向消费电子领域无线充电技术。早起就入场的各大车企最后也大多保留着不温不火的态度。

(WattUp公司展示的电磁共振多设备同时充电技术,在一定范围内皆可为设备充电,无须接触式靠近充电源)

无线充电,表面上似乎只解决了“懒”的问题,省去了拿起充电枪插入充电口的过程;但实际上无线充电解决的问题并不止于次,通过无线充电可以将充电规范和接口完全统一化、比之有线充电布局要节省空间、能够解决很多存在充电桩安全问题、可以为自动驾驶出行业务提供完全无人化运营。

(特斯拉测试的充电机器人)

当然,无线充电从功率角度讲,样品产品最高也就22kW,与超充动辄100多kW相比的确慢很多;但这并不妨碍在很多场景下的实用便利,例如车辆放在停车场时和回到家停入车库时,无线充电带来的无感化能够真正让车辆“无时无刻”地在充电,丝毫不被“补能”问题担忧。

不过话又说回来,如此多的“先驱”一个个最终放弃,他们并非不知道这些优势,而是要相对完善地实现这一切并非那么容易。

除了充电速度无优势之外,电动汽车无线充电的安全问题一直是阻碍市场接受的重要原因之一。尽管从科学论证的角度,电磁共振技术所采用的6.78MHz频段的波长大约在30米,对人体是无害的,但是这些问题的论证还需要大量实验和时间来论证。

不仅如此,之前缺乏的标准制定,导致整个产业无法达到规模化,导致硬件设备的成本相比有线充电要贵很多,这样一来,无论对于个人用户还是公共设施建设,都不划算,也就很难推进。其实即便现在中国制定了相关标准,也需要较长的时间来逐步完善整个产业,从而循序渐进地降低成本,进而真正被市场接受。

也就是说,对于电动汽车的无线充电技术,目前的处境非常像特斯拉刚刚起步的阶段,相关产业的不成熟,就一定意味着在初期阶段步履维艰。说来也巧,无线充电技术与电动汽车的“坎坷”经历十分相似,都是具有百年历史的东西,并非什么新技术。然而受到各种大环境因素的影响,导致迟迟得不到真正的发展;但这些技术一旦得到助力,就会快速释放能量,显露出极强的发展潜力。

量变到质变,电动汽车充电技术的“春天”或许真的要来了。

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