不“插”电 汽车无线充电技术盘点

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  抢戏CES
  CES,顾名思义,应该是消费类电子产品的展会。可近些年,汽车的“戏份”越来越重,到今年甚至有转型为车展的嫌疑:连奔驰、宝马等老牌汽车大厂都拿出了不曾在正统车展上秀过的重磅新技术。单是演示汽车无线充电技术的,就至少有三家的解决方案很值得一说。


  首先自然是大众那辆名为Connected Golf Concept的e-Golf。这辆概念车实际上展示了大众最新的车载信息系统、无线充电以及远程遥控等与车联网有关的未来汽车技术。按照大众的说法,未来车主可通过智能移动终端的e-Station Guide软件搜索到附近的充电站,只要把车辆靠近充电站内的感应充电板就能自动充电。e-Station Guide会提示车主充电站的位置、充电状态以及需支付的费用,而车辆在电量充满后则会亮起车灯示意。不过,大众的推广重心显然还不是无线充电,在介绍Connected Golf Concept时,对于无线充电只是一笔带过,所强调的是即将应用于量产车的新一代车载信息系统和将来能快速普及的远程遥控技术。相比之下,奥迪对无线充电技术就重视多了。
  跟大众不同,奥迪带来了无线充电板的实物模型。在奥迪的描述中,将来所有奥迪e-tron新能源车都可以选装AWC奥迪无线充电系统,该系统由安置在停车位或嵌入地面的充电板和车上加装的感应受电部件组成,其中充电板集成了感应电路的初级线圈与交流电转换器,当线圈被激活时,系统将以3.6kW的功率向车载电池充电(此处功率为充电功率,后边讲到无线充电系统的输出功率或传电功率时,均指向电池充电时的功率,而非电磁辐射的功率,切记)。与此同时,数英尺外准备充电的奥迪e-tron新能源车会通过AWC系统引导驾驶员精确地驶向充电板,一旦车载感应线圈接收到充电板的磁场辐射,仪表盘上的AWC系统指示灯将转为绿色,并开始充电。只是目前车辆与充电板之间的空隙不能太大,所以AWC系统的那块边长9.8英寸(约25厘米)的正方形充电面板可自由升起,以便贴近SUV等高离地距车型。和手机一样,使用AWC系统的奥迪e-tron电动车或插电式混合动力车亦能随时暂停充电,驶离停车位,而不必坐等电池充满。同样,只要电池电量满格,就自动断电保护,不会有过充的危险。奥迪声称,AWC系统无线充电的效率已达90%,且不受天气环境影响,连感应生成的电磁场也对人畜无害。当然,讲电磁辐射对生物绝对没有危害,这确实有些不严谨,还是宝马的说法更妥当:保持在安全范围内的最低水平。而宝马的无线充电解决方案更在CES展会开幕前就已展示过,那跟奥迪的AWC系统大体相似,唯独充电板不能升降。宝马同样使用3.6kW的充电功率,电流强度也跟奥迪一样为16A,能在2小时内完成对i8混合动力车的充电,而在相同时间内,3.7kW的BMW i充电盒只能为i8充足80%的电。不过,i8的锂离子蓄电池只有7.1kWh,面对纯电动车i3的19kWh锂离子蓄电池,宝马称正在研发7kW充电功率的无线充电系统。顺便一提,用BMWi充电盒为i3充电,需要5.5~6小时。


  然而,这三套看起来不错的无线充电解决方案都不确定何时投入量产。梦想不能照进现实,那岂不是水中月、镜中花?好在,已有别的厂商开始在真实环境中试验汽车无线充电技术,并取得了一定的成就。
  汽车厂商的试水
  真要追溯起来,其实早在19世纪末就已出现实用型无线充电装置——特斯拉线圈,正是它让世人确信交流电可以通过无线的方式传输。而近十年,随着电动产品全面渗入人类日常生活,对无线充电设备的需求呈几何级增长,厂家们因此纷纷积极地研发无线充电技术。在IT领域,英特尔率先于2008年展示了采用非接触方式充电的数码产品;而在汽车领域,日产与昭和飞机工业在2009年公开的电磁感应式非接触充电系统,则是较早应用于当代汽车的无线充电技术之一。
  其实,1947年即研发出自家第一辆电动车的日产,很早就开始打造电动车的配套生态链,比如2007年与NEC合资成立的AESC公司,如今就专为聆风生产锂离子电池;同昭和飞机工业联合开发的非接触式充电系统,后来也应用在聆风身上,也正因为日产曾用聆风成功试验过无线充电技术,后来博世(BOSCH)才会优先选择聆风来演示它的无线充电系统。
  不过,车辆通过日产的电磁感应系统进行无线充电时,必须精确地停在充电板的正上方,并保持底盘与充电板之间有100mm左右的空隙,否则会严重影响传电效率。毫无疑问,如此高精度的泊车标准,对普通人而言是个巨大的挑战,最后日产也没有如约在2013年将无线充电系统列为聆风的选装件。相比之下,使用磁共振无线充电方式的沃尔沃解决方案,反而有望更早投入市场。
  简单来讲,相比磁感应式无线充电,磁共振式无线充电的最大好处就是输电端与受电端不需要精确对位,且可传输较大的距离,并能让一套充电板同时为多辆汽车充电。故在沃尔沃的解决方案中,只要建设一条“非接触充电专用车道”,把无线充电系统的输电端埋入普通路面之下,车辆就能在低速通行的同时完成无线充电。根据沃尔沃以C30纯电动车试验的结果,只需2.5小时即能使电池恢复到满电状态。要知道,插电版沃尔沃C30电动车通过16A的专用充电设备,最快也得6小时才可完成充电。然而,沃尔沃目前仅能确定这套系统“很快”会投入市场。
  尽管诸多汽车厂商尚在努力地将无线充电技术量产化,可对汽车无线充电产品市场虎视眈眈的远不止汽车厂商。因为,若能配备实用型无线充电系统,就意味着电动车可以抛掉沉重的电池堆,并且极大地延伸续航里程,同时还能省去可观的充电线缆生产成本。换句话说,无线充电很可能成为未来电动车跟插电式混合动力车的主要充电方式,而电动车又是将来的主流车型,所以,这是一个利益丰厚的大“蛋糕”。故而,从汽车供应商博世,到半导体生产商高通,都高调进军汽车无线充电产品市场,进而极力拉拢汽车厂商加入己方联盟,共同研发无线充电系统。


  进击的解决方案供应商
  在众多争夺汽车无线充电市场的外围厂商里头,博世是唯一给解决方案明码标价的,我们也因此得以确认,眼下商品化的无线充电套装绝不便宜。博世与美国电动车充电方案供应商Evatran联手打造的家用无线充电解决方案,是由Evatran的Plugless无线充电系统与博世的Power Max Level 2家用充电站组成。Plugless无线充电系统包括:安装在电动车或混合动力车底盘的车载适配器(无线充电受电端与交/直流转换电路)以及布置在车库地面的“停车垫”(无线充电输电端)。而Power Max Level 2壁挂式家用充电站除常规的插电式充电接口外,还有用来引导车辆定位并进行系统诊断的控制面板。Plugless无线充电系统具有3.3kW的输出功率,输出电压240V,并能在车辆与停车垫之间距离为110mm时达到最高的89.2%传电效率。博世专门为日产聆风和雪佛兰第一代沃蓝达定制了无线充电套装,沃蓝达的无线充电套装标价2998美元,聆风的则为3098美元,这只是车载组件的安装费用,“停车垫”跟家用充电站的安装、运费都另算,而且这价格还不含税。更麻烦的是,博世的方案为磁感应式无线充电,输电端要跟受电端完全对齐方可有效传电,驾驶员就必须依靠控制面板的引导才能对准充电位置。显然这不是一个易于普及的方案。还好,半导体制造商高通在世界电动方程式竞标赛上为我们展示了更实用的Halo电动汽车无线充电技术。
  高通Halo是一套磁共振式无线充电系统,包括四个部分:供电组件、充电板、车载接收板和车载控制器。就目前而言,对比其他竞争对手,高通Halo最引以为傲的就是其出色的充电效率。Halo的充电输出功率可高达6.6~20kW,传电效率亦有90%,假如特斯拉Model S P85用20kW的Halo无线充电系统进行充电,不需5小时就能充满电。当然,若使用价值6700元人民币的特斯拉选购配件——壁挂式充电器,同样只要5小时,电量也会从0增加到100%,但在此期间,Model S必须插着电缆,静静地待着,而它那使用Halo的小伙伴却能来去自由。此外,Halo的充电板只要在50~200mm的范围内感应到车辆,即可启动充电程序。至于何时投入市场,高通表示,技术上不存在障碍,但它希望能以汽车制造商原厂预装的方式为私人购车者提供Halo无线充电系统。假如你觉得高通的解决方案还不够接地气,那不妨了解一下丰田同WiTricity美国无线电力公司合作开发的无线充电系统,丰田正用普锐斯在测试该系统。


  WiTricity只有一套名为WiT-3300的车用无线充电系统,因此丰田正在测试的无线充电系统很可能引用了WiT-3300的核心技术。而WiT-3300磁共振式车用无线充电系统,由带电磁信号放大器的电源箱、安置在地面用来传输电磁辐射的标准源谐振器、装于车辆底盘的小型磁场感应捕获模块、车内的远程磁场感应捕获模块和整流器组成。WiT-3300的输出功率可达3.3kW,最高充电效率也有90%。标准型WiT-3300的磁场感应谐振器适用于离地距100~200mm的车辆,但WiTricity声称可依车型的离地距来定制磁场感应谐振器。另外,根据WiTricity的资料,WiT-3300无线传输的电磁辐射能穿透任何非金属材料,因此该无线充电系统的磁场感应谐振器理论上可以安装在地板下面,使充电过程更为隐蔽、安全。当然,WiTricity使用的磁共振式无线充电技术也允许输电端与受电端的对应位置存在位移,但丰田为避免感应线圈生成的电磁辐射因随空气逃逸而造成浪费,故优化了普锐斯的自动泊车功能,在停车后还能微调车辆的位置,以确保输电端与受电端严密对齐。不愧为日本车企。
  看到这里,相信你也已经发现,无论是汽车厂商自己研发的无线充电系统,还是其他跨界推出车用无线充电解决方案的制造商,其实已掌握成熟的汽车无线充电技术,可除了博世曾把产品投入市场之外,别家都是按兵不动,他们究竟在等什么?
  众口难调
  有时候,多样化也意味着众口难调。虽然搞车用无线充电产品的厂家很多,却基本上都各行其是,当要全面普及以便降低生产、研发成本的时候,问题就来了:以谁的标准为标准?就拿无线充电技术中最基本的电磁感应来说,究竟该以哪个频率向外辐射电磁波,就已在业界讨论了很久。据日本汽车技术协会无线供电系统技术部门委员会干事横井行熊介绍,因为无线供电属于近距离输电,使用近区电磁场,这就必须避免对其他无线用户造成影响。原先认为选择开放给工业、科学和医学机构的ISM频段中的13.56MHz会很适合,可以避开如今无线局域网广泛使用的2.4GHz,但发现对于某些系统来说,或许并非最佳方案,例如跟丰田合作的WiTricity就选择10MHz,而高通更使用6.78MHz的低频率。辐射频率过高,对人体有害;频率过低,磁电转换变慢,影响传电效率。要选一个大家都适用的频率确实很难,但又必须统一标准,才能降低使用成本,进而有利于推广无线充电技术,随后才有望分摊企业的生产成本。在解决频率的问题后,接下来就要考虑到底是采用磁感应式无线充电,还是磁共振式无线充电。磁感应式就是利用电磁感应的原理,在地面输电端与车载受电端内分别布置线圈,通过二者之间的磁场耦合传输能量,再由车内的整流器将感应生成的交流电转为直流电为车载蓄电池充电,因为原理简单,所以制作成本也相对较低,但充电距离短,需要精确对位;磁共振式则在磁感应式的基础上,让两个线圈以相同的固定谐振频率振动,通过磁场共鸣提高能量的传输效率,可传输较远的距离,输电端与受电端亦无需精确对位,能同时为多台设备充电,缺点是控制系统相对复杂,系统成本较高。目前,汽车厂商明显偏向于使用磁共振式,这样电动车可以更自由地充电,消费者也乐于使用,毕竟要驾车精确地对准两块一平方米不到的面板,难度太大。问题在于,支持磁共振式无线充电模式的Rezence标准于2013年才由A4WP无线充电标准组织确立并发布,而市面上手机等IT产品广泛应用的是WPC无线充电联盟在2010年制定的Qi标准,该标准最初只支持磁感应式充电模式。也就是说,如果充电标准不统一,很可能出现在外面无法充电的电动车。幸而,随着A4WP的创立者高通、三星先后加入WPC,Qi标准从2014年开始可兼容磁共振式无线充电模式。未来则多半会统一使用Qi标准。
  至此,可以说汽车无线充电技术的量产化已是万事俱备,只欠东风。可这“东风”要来却难:君不见,那已普遍应用的智能手机,都还有人质疑它的辐射安全性?而无线充电技术恰恰依靠电磁辐射来实现基本功能。那么,车用无线充电技术的电磁辐射到底有多强?至今也就高通说过其只有手机辐射的一半,可这并没有被权威机构验证过。事实上,关于汽车无线充电技术,还有很多未知领域,比如,中国的汽车制造商将如何发展无线充电技术?诸位不妨随我们一起继续关注。
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