無線充電,對電動汽車來說有用麼?
前一陣,國家發布了關於“電動汽車無線充電”的一系列國家標準。國家標準化管理委員在公告中發布:《電動汽車無線充電系統第1部分:通用要求》(GB/T 38775.1)、《電動汽車無線充電系統第2部分:車載充電機與充電設備之間的通信協議》(GB/T 38775.2)、《電動汽車無線充電系統第3部分:特殊要求》(GB/T 38775.3)、《電動汽車無線充電系統第4部分:電磁環境限值與測試方法》(GB/T 38775.4)共4項國家標準。
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該標準體系規劃標準18項,規範電動汽車無線充電系統在公共以及私人應用領域的技術要求、性能要求、功能要求、安全要求、通信協議、測試要求及試驗方法、互操作性要求及測試方法、施工驗收、運行維護等。本次發布4項國家標準,還有4項國標正在編制過程中。
無線充電,在如今這個年代,並不是什麼新鮮玩意。
尤其對於諸位正在用手機的朋友們來說,可能剛剛把手機從無線充電板上拿起來。不過對於電動汽車來說,無線充電技術一直都處在“只聞其聲,不見其人”的階段,儘管近幾年有不少車企展示過實車無線充電功能,但終究未能在量產車上搭載,更談不上普及了。
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理論上說,電動汽車無線充電技術不僅僅能夠極大提高用戶用車的體驗,更是為未來自動駕駛使用場景無人化的最後一環做好了鋪墊。而之所以遲遲未能真正走向市場,其中一個重要原因就是各個國家對該技術未能儘早制定統一標準,從而產生了一系列的“連鎖反應”,導致難以規模化、市場化。只有相關標準確定後,行業有可能真正快速發展。
頗有意思的是,在此次發布的國標中,除了由中電聯、中國電力企業聯合會主導,以及電科院、中汽研兩個政府部門的參與,還有唯一一家外企參與了國標制定——WiTricity公司。其實WiTricity還曾參與過北美(SAE J2954)和歐洲(ISO 19363、IEC 61980)兩大市場的電動汽車無線充電標準的製定。
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這家公司什麼來頭?這得從無線充電技術本身講起。
無線充電,起源於邁克爾·法拉第的電磁感應,由尼古拉斯·特斯拉發明,直到近10年才真正落地應用。目前主要有三種方式:電磁感應式、電磁共振式、無線電波式;不過其中無線電波式由於是通過將電磁波轉換為電能,所以功率與安全性的平衡問題棘手,目前應用較少,這裡暫且不提。
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(尼古拉斯·特斯拉對全球無線充電的設想)
電磁感應式,簡單理解即是變壓器的原理,向初級線圈輸送電能,使得次級線圈耦合感應產生電流,從而實現將能量從一端“無線”傳輸至另一端。
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(手機無線充電器原理示意圖,圖/Real Engineering)
這種方式的原理和硬件要求相對簡單,相關標準制定較早,例如我們熟知的Qi無線充電標準是由WPC(Wireless Power Consortium,無線充電聯盟)制定。所以這類充電技術已經實現了規模化,其生產成本較低,且經過了市場的考驗,較為普及。
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缺點則是由於技術原理本身的限制,傳輸距離太短,隨著距離增加,無線充電的損耗會增大,效率降低。所以這也是為什麼當手機離開無線充電板稍遠一點,就無法充電的原因。
電磁共振式,簡單理解即是電磁感應式的“升級版”,本質上是通過電磁共振的技術,在松耦合情況下,提高電磁感應傳輸效率,從而在保證效率的同時,實現較長的傳輸距離(充電距離、充電面積比電磁感應方式提升10倍以上)。
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(2007年MIT教授Marin Soljačić團隊展示的電磁共振無線充電技術)
2007年MIT教授Marin Soljačić團隊撰寫論文,並展示了電磁共振無線充電技術,用兩個5匝銅線圈作為兩端,在兩米的距離點亮了60W功率的燈泡,效率約為45%。隨後該研究團隊就採用項目的名字,成立了一家私人公司,即WiTricity,並以此技術申請了相關專利。
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相比於電磁感應式,電磁共振式的特性顯然更加符合電動汽車無線充電的需求。所以在技術展示公佈不久,WiTricity就接到了奧迪、寶馬、克萊斯勒、捷豹、日產和豐田拋來的橄欖枝,紛紛表示願意與其合作。
然而得到資金支持後,應用於電動汽車的無線充電技術發展,並沒有如預期般美好。真正落地的車型寥寥無幾,例如2018年寶馬展示的530e iPerformance,能夠以3.2kW的功率無線輸送電能。
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在此期間,與之競爭的高通公司曾收購Halo無線充電公司,同樣大力發展電磁共振式無線充電技術,也曾宣布將在2018年將無線充電技術搭載於奔馳S550e車型上。然而經過多年發展,高通可能認為消費電子市場更為重要,於是在2019年將關於電動汽車無線充電部門和所有技術專利出售給了WiTricity。
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此後,WiTricity包攬了大量電動汽車無線充電的專利,並憑藉此優勢開始在各個地區推進相關標準的製定。
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其實專注於電動汽車無線充電技術的公司有不少,但是最終或者淪為實驗階段,或是經過市場考察調研,發現這項技術似乎並沒有前景,最終放棄,轉而奔向消費電子領域無線充電技術。早起就入場的各大車企最後也大多保留著不溫不火的態度。
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(WattUp公司展示的電磁共振多設備同時充電技術,在一定範圍內皆可為設備充電,無須接觸式靠近充電源)
無線充電,表面上似乎只解決了“懶”的問題,省去了拿起充電槍插入充電口的過程;但實際上無線充電解決的問題並不止於次,通過無線充電可以將充電規範和接口完全統一化、比之有線充電佈局要節省空間、能夠解決很多存在充電樁安全問題、可以為自動駕駛出行業務提供完全無人化運營。
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(特斯拉測試的充電機器人)
當然,無線充電從功率角度講,樣品產品最高也就22kW,與超充動輒100多kW相比的確慢很多;但這並不妨礙在很多場景下的實用便利,例如車輛放在停車場時和回到家停入車庫時,無線充電帶來的無感化能夠真正讓車輛“無時無刻”地在充電,絲毫不被“補能”問題擔憂。
不過話又說回來,如此多的“先驅”一個個最終放棄,他們並非不知道這些優勢,而是要相對完善地實現這一切並非那麼容易。
除了充電速度無優勢之外,電動汽車無線充電的安全問題一直是阻礙市場接受的重要原因之一。儘管從科學論證的角度,電磁共振技術所採用的6.78MHz頻段的波長大約在30米,對人體是無害的,但是這些問題的論證還需要大量實驗和時間來論證。
不僅如此,之前缺乏的標準制定,導致整個產業無法達到規模化,導致硬件設備的成本相比有線充電要貴很多,這樣一來,無論對於個人用戶還是公共設施建設,都不划算,也就很難推進。其實即便現在中國製定了相關標準,也需要較長的時間來逐步完善整個產業,從而循序漸進地降低成本,進而真正被市場接受。
也就是說,對於電動汽車的無線充電技術,目前的處境非常像特斯拉剛剛起步的階段,相關產業的不成熟,就一定意味著在初期階段步履維艱。說來也巧,無線充電技術與電動汽車的“坎坷”經歷十分相似,都是具有百年曆史的東西,並非什麼新技術。然而受到各種大環境因素的影響,導致遲遲得不到真正的發展;但這些技術一旦得到助力,就會快速釋放能量,顯露出極強的發展潛力。
量變到質變,電動汽車充電技術的“春天”或許真的要來了。