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从技术角度看,车用无线充电技术商业还存在哪些阻碍?

时间:2018-09-25 阅读:
除了完善静态充电技术和标准,持续推广降低成本之外;动态无线充电也是一个极具潜力的方向。

时至今日,无线充电技术对大众而言,已不再是一件新鲜事。在消费电子领域,iPhone等多款高端手机早已支持无线充电的功能。但在汽车领域,即便是新能源大潮如此汹涌,拥有无线充电功能的汽车却依然寥寥无几,直到这两年,我们才看到宝马550e、荣威Marvel X等乘用车开始陆续支持无线充电功能。

那么这项技术是什么原理,发展现状如何,未来何去何从?且听这篇文章为大家简要道来。

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支持无线充电的苹果与宝马

一、 车用无线充电技术溯源

无线充电技术可以上溯到赫兹和特斯拉,其奠基人正是著名发明家尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)。特斯拉先生在19世纪末的哥伦比亚世博会上,首次用无线电能传输的方式将一盏磷光灯点亮。而无线输电技术的早期发展,也充满了特斯拉的梦想与实践。

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特斯拉与沃登克里弗塔,图片来源:Wikipedia

在特斯拉的宏伟设想中,利用地球作为内导体、电离层作为外导体,在二者之间利用电磁波实现远距离输送电力。直到1901年,被称为特斯拉最大梦想的“沃登克里弗塔(Wardenclyffe Tower)”,在银行家摩根的资助下建成,并开始进行无线输电实验。这座传奇之塔在之后与传说中通古斯大爆炸的关系已然成谜,特斯拉也因为这座塔停止运作后陷入了财政危机。

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无线输电技术发展,原图:Wireless Power Transfer for Vehicular Applications: Overview and Challenges

在这之后的100年里,无线输电技术虽然陆陆续续出现在各式各样的实验研究里,但从未开始过真正的商业化运营。毫无疑问,高效是这项技术应用的首要要求。

汽车无线输电则更为特殊——除了效率的需求之外,这更多是由于汽车的特性决定的:

  • 功率需求:汽车无线充电功率等级较高,由于电动汽车电池大,充电时间要求尽量短,因此需要充电系统有几千瓦乃至几十千瓦的功率;

  • 间距与尺寸:汽车无线充电的间距是由汽车离地间距决定的,根据SAE轻型车无线输电的标准中,距离等级分为10-15/14-21/17-25cm,这与手机无线充电也大为不同,与此同时,充电线圈的大小也要尽量匹配汽车,尽可能轻;

  • 效率:由于有线充电效率极高,因此无线充电就务必要达到至少85%的效率,才具有商业化的意义;

  • 数据通讯:对于汽车来说,这套系统需要驾驶员遥控操作,此外该充电系统的开启与信息传导也是必需的——车端电池的需求充电电流、安全状态等信息要传回到地面端。

而随着电动汽车的推广,电力电子和电池技术的进步,汽车无线充电也终于再次回到了舞台上,尽管只是主流舞台的小节目,但也逐渐引起了大众的关注。

二, 无线充电技术原理

那么,汽车无线充电技术是什么原理呢?它并不是什么天顶星科技,但是还是有一些门道可说的。

首先要说明的是,我们常用的无线电广播、Wifi等属于无线信息传输,不属于无线能量传输。而如果将无线电能传输,按传输距离远近进行分类,从远到近可以分为微波、激光、超声波、电场耦合和磁场耦合五类技术。有的研究者根据 (D是发射线圈最大直径,λ是电磁波波长)将这些技术区分为远场区与近场区两类。

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无线输电技术按功率与距离分类,图中Resonant inductive coupling即是所谓磁耦合谐振无线充电,原图:Wireless Power Transfer for Vehicular Applications: Overview and Challenges

远场区技术更适用于长距离、低效率需求的电能传输;而近场区技术的近距离高效的特征,则让它更适用于近距离无线输电,而在近场区技术中,电场耦合式功率较小,而磁场耦合技术则更为适合。

传统的磁场耦合技术仅适用于近距离,而2007年MIT教授Marin Soljacic团队的研究表明,在发射和接收端加入调谐网络后设计的磁耦合谐振无线输电,可以进一步提高传输距离,在两米距离点亮了60W功率的灯泡,并仍保持了40%的效率。这一研究重新点燃了无线输能领域的研究热情,后来的研发投入使得电动汽车无线输电的需求得到满足(距离15-50cm;效率大于85%;千瓦级大功率),使之商业化成为了可能。

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MIT团队实现的磁耦合谐振式无线充电,让相距二米的灯泡持续发亮,是一项里程碑式的研究

而在磁耦合谐振无线输电的技术基础上,研究者和工程师们进行了广泛的研究,包括线圈设计、谐振网络构建等方面的工作。而如果将汽车无线充电分为两类,可以分为静态无线充电与动态无线充电两类。这样的分类很容易理解,可以认为分别是停车充电与开车充电的差别。

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丰田无线充电示意图,属于静态无线充电

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英国无线充电公路概念图,属于动态无线充电

三, 实地案例与发展难题

我恰好参加过相关无线充电示范运行的测试研究。并在两年前有机会到访其中一条无线充电客车线路,该充电系统的具体参数不作介绍,它的实车传输效率实际已经可以达到较高的程度,超过了87%。下面简单讲讲这个示范的无线充电案例。

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无线充电客车充电位,实地拍摄

在这条运营线路中,有两个充电位布置在公交始发站,有四辆无线充电公交车与四辆燃油车交替运行。下图中停车位铺设的长方形充电位即埋设的两组充电原边线圈,在客车车底安装了副边线圈,当客车停放入位后,对准充电位,则可以由司机开启无线充电。

总体来看,无线充电相对于有线充电的优势是得到发挥的,那就是司机不需要插拔充电头,避免有线充电插头的损耗,可靠性高;司机在驾驶位上停完车一键即可充电,操作简单,无需专业人员;无线充电技术的效率足够,可以达到87%以上;无线充电线圈的设计功率为单个30kW,两组线圈即使限功率运行,也可以达到40kW以上的充电功率。此外,大家比较关心的电磁辐射问题,在充电过程中的实地的电磁辐射水平符合ICNIRP 2010的辐射标准。

但与此同时,实际运营中也存在着一些问题:

一, 由于对充电线圈对正要求还较为严苛,停入停车位后,司机需要反复进行车辆位置的调整以确保对齐,这对于大公交车来说非常考验司机停车技术,平均大约需要花费一分钟的时间来调整停车位置;

二, 在实际的充电过程中,司机开启充电后,充电系统需要约一分钟左右的时间才能够全负荷运行,这意味着在公交站台设置充电位,随时停车随时充电的设想,以目前的技术水平还难以实现。当然,这是2016年的技术水平了,该问题也可能是为了保证电路安全特意设计的,或许存在优化空间。

那么阻碍无线充电在汽车领域推广的问题有哪些呢?

第一点是技术本身优点不明显。

目前来看,如果停留在静态无线充电,和有线充电比较来看,其主要的优势就是方便,无线输电效率尽管已经达到较高水平,但却仍然低于有线充电。

静态无线充电还存在着一些小毛病有待解决,例如如何检测、排除充电两端线圈中的异物?这就是一个值得研究的问题。要知道如果有任何金属部件,哪怕是回形针,一旦落在了两个线圈中的落叶里也有可能引起火灾。又或是有小猫小狗等活物,处于两个线圈中,大功率输电也会给动物带来很大的安全威胁。

而动态无线充电,虽然没有上述的小问题,优点很大,但是实施起来成本极高,需要改造的不仅仅是一个车位,而可能是一整条道路的大幅度改造与维护,成本极高。

第二点是缺少统一标准。

尽管SAE在两年前推出了电动汽车无线充电标准SAE TIR J2954,中兴、华为、高通的踊跃投入,也有机会成为该领域的标准制定者。但与此同时,缺少技术标准也恰恰限制了该技术的普及。更不用说,汽车无线充电技术标准的设立,不仅仅是汽车领域的工作,还需要修订国内外相关电磁管理的标准条例;此外还需要同时与国际电磁机构互相报备,以确保相关频段的无线电波不会受到影响。目前国内无线充电系统标准仍在草案阶段,其他各国也都需要克服该问题。

第三点是电磁辐射的公众疑虑。

尽管目前还没有确切的理论表明电磁辐射对人体的危害程度,而辐射水平的评价,也只能参考各研究组织公布的限值。但是对于公众来说,电磁辐射本身就是一个“敏感词”,无线充电能不能被大众所接受,也同样有待观望。

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目前某无线充电系统EMF水平满足ICNIRP(2010), 但很可能超出GB 8702限值

相关研究也有很多,针对车内外的乘客进行了辐射值的测量,数据显示符合国际标准,但更加严格的国内标准却未必能够满足。

结语:

最后,关于无线充电未来的发展,研究者们非常欣喜地看到车企巨头如丰田、日产、本田、宝马;供应商如博世、高通、华为、中兴等等公司纷纷投入其中大力推广无线充电。而除了完善静态充电技术和标准,持续推广降低成本之外;动态无线充电也是一个极具潜力的方向。限于成本,动态无线充电即使是示范运营还不多,目前来看,固定线路的运行,如快速公交(BRT)、园区无人物流车、厂内AGV这些场景,或许将是动态无线充电的突破所在。

来源:2030出行研究室

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