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无线充电第二春

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  1894 年,马斯克的偶像尼古拉斯・特斯拉在纽约第五大道 35 号的实验室,用无线传输电能的方式,点亮了一盏白炽灯。随后更加疯狂的想法,在他脑海中生长,他计划在纽约长岛建造一座“沃登克里弗塔”—— 将地球的电离层与地表视为电容器的两个极板,通过径向电磁波振荡在其间建立起频率约为 8Hz 的低频共振场。

  简而言之,就是要建立起一张覆盖全球的无线电能传输网络。这样一来,人类将彻底摆脱电线,只要安设一个小设备,就可以取电用电。可惜由于缺乏资金的支持,尼古拉斯・特斯拉的疯狂之举未能得以实现。

  100 多年之后,他的信徒马斯克循着他的狂想,成立一家名为“特斯拉”的公司,将这样一个世界带向了电动车的时代。

  2021 年,全球新能源汽车销量达到 675 万辆,国内新能源车的渗透率已经接近 15%,电动车的爆发势不可挡。然而,补能环节的矛盾却一天比一天突出。在这样的背景之下,无线传输的梦想,开始在很多人的心中复苏,无线充电技术也正在试图走出实验室,加入市场应用大军。

  12 月 28 日,德国巴林根市与 Electreon 公司合作,为电动公交车建设无线充电线。全球第二大汽车零部件供应商电装(Denso)公司也在与日本建筑公司合作开发用于电动车的无线充电路面技术。两家公司已在东京启动测试,并计划 2025 年商用。围绕此现象,本文试着回答以下问题:

  无线充电对手机、电脑、相机等电子科技类产品而言,只是个锦上添花的新功能,但对电动车产业,却有很大的可能是启动整个市场的关键。

  统计多个方面数据显示,截至 2021 年底,我国公共充电桩共有 114.7 万台(直流快充桩 47 万台,交流充电桩 67.7 万台),若加上私人充电桩,总量达到 261 万台。然而,充电不便捷依然困扰着相当多的电动汽车用户。无线充电正是在这个行业背景下,涌现出的一种解决思路。

  无线电力传输(即 WP T)主要是通过电磁感应、电磁共振、射频、微波和激光等方式实现无接触式的电力传输。根据技术原理的不同,目前应用于电动汽车无线充电的技术主要有电磁感应式、电场耦合式和电磁共振式三种。

  其中,电磁感应式,简而言之就是变压器的原理,向初级线圈输送电能,使得次级线圈耦合感应产生电流,以此来实现将能量从一端“无线”传输至另一端。这种方式的原理和硬件要求相对简单,是目前 WPT 技术中最成熟、应用最广泛的无线充电技术。

  电磁共振式,则是电磁感应式的“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。相比于电磁感应式,电磁共振式的特性更符合电动汽车无线充电的需求。

  众多电动车厂商都在积极探索 WPT 技术商用的可能。比亚迪早在 2005 年 12 月就申请了非接触感应式充电器专利。2012 年,他们在卖给犹他大学一辆 40 英尺的纯电动巴士上,便装配着最新的 WAVE 无线充电垫。只需将巴士停在充电垫上,经历数分钟的等待就能充满电。

  WiTricity 公司作为汽车无线充电技术的领导者,率先研发出了电磁共振无线充电技术。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。

  今年 6 月,全世界汽车和车辆供应商西门子对 WiTricity 进行了 2500 万美元的投资,用于家庭、停车场、工作场所或车队的解决方案。

  就像 WiTricity 首席执行官阿历克谢・格鲁岑(Alex Gruzen)说的:“最终,你会感觉拥有了一辆无限里程的汽车。除了开车、停车,没有额外的工作需要做。”无线充电,看上去只是省去了拿起充电枪插入充电口的过程,但实际上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约空间、能够解决很多存在充电桩安全问题、可以为无人驾驶出行业务提供完全无人化运营。

  一旦技术成熟,它有着非常大的应用前景。市场研究机构 Allied Market Research (AMR)对未来市场发展给出了积极的预测:全球电动汽车无线 亿美元。

  上一次无线充电技术这么热闹,还得追溯到我国推广新能源汽车的初期阶段。2014 年 10 月,中兴通讯在成都“西博会”上展示了与蜀都客车携手研发的全球首款无线充电微循环电动客车。

  但后来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。反倒是充电桩和换电模式慢慢的变成为补能的主力军。无线充电在产业化发展的过程中,都遇到了哪些障碍?

  对手机而言,小功率无线充电已经通过电磁感应实现。简单来说,就是在无线充电器和手机上分别内置线圈,当手机和充电器靠近的时候,无线充电器中一定频率的交流电通过电磁感应,在手机的接收线圈产生电流,从而为手机充电。但将这种技术用在电动汽车上,难度陡然增加。

  1、充电功率不足,无法代替慢速充电器:最初的技术限制在于充电速度和电能转换效率。通过磁场来传递电能的效率始终比不上有线充电直接通过导线传输。另外,充电功率越大,能量损失和设备发热也会越大。

  2、泊车精度要求高:约尔(Yole)发展公司电力电子和电池首席分析师米兰・罗西纳博士表示,“无线充电器和手机可以密切接触,但很难将车辆准确定位在充电器上,而且充电器(能量发射器)和安装在车辆上的接收器之间的距离远大于手机无线充电所需的距离。”

  也就是说,无线充电的发射器与接收器,需要精准对齐。为客服以上问题,解决方案是通过车载摄像头画面给司机停车提供指导,将车底部的感应板和车库地板上的充电板对准。但这样的操作,和手动插插头比,显然后者还要方便一些。

  3、充电安全性不稳定:阻碍无线感应式充电技术大规模运用的瓶颈主要是对于辐射的担忧,因为无线充电会产生强大的磁场。当人或动物位于电动车和充电装置之间时,有可能带来电磁伤害。因此,电磁感应式的无线充电,在充电发射端和接收端之间不能有金属异物或动物的存在。

  4、成本高:对绝大多数新技术而言,其普及过程中最大的难点并不是技术的突破,而是使用成本的降低。无线充电所需的关键元器件都未实现量产,例如线圈、电容等价格昂贵。据中惠创智产品经理周德勇预估,7.7kw 的私人无线 万元左右,即便未来无线 万套数量级,其费用依然高出传统充电桩 30% 左右。因此,无线充电将主要配置在中高端车型上,前期销量会有一个“爬坡”的过程。

  无线充电目前的处境有点国内新能源车刚刚起步的阶段:都知道是大趋势,只是大家都担心自己能不能等到大趋势出现那一天。但当前无线充电发展发生几个重要变化,确确实实为无线充电迎来了第二春。

  技术新突破:行业始终没停下对无线充电的追求脚步,现阶段无线充电技术的系统性能、充电速度、电能转换效率已经和插电慢充差不多。在转化率上,插电慢充的电能转换效率是 95% 左右,无线% 的水平。在充电功率上,也逐渐从 3kW 水平,提高到 7kW、11kW、22kW 水平。

  车辆停放的位置、车底盘距离地面高度的限制也放宽了。无线充电配置供应商宣称能覆盖各类车型,包括底盘较高的 SUV。控制技术也一直在优化,当有异物出现在 WPT 充电系统的线圈之间时,会有措施防止过热事件的发生。

  新政策推动:任何一个产业的发展,都是标准先行的,电动车无线充电产业,同样如此。早在 2020 年,我国便完成了电动汽车无线充电四个标准的编制。电动汽车无线充电国家标准工作组成员、华南理工大学电力学院教授张波表示,“这是我国第一部电动汽车无线充电系列国家标准中的四项,填补了我国在这一技术领域国家标准的空白,将助力我国电动汽车无线充电从研发技术、工程示范向产业化进程迈进,具备极其重大的现实意义。”

  去年,国务院办公厅印发的《新能源汽车产业高质量发展规划(2021-2035 年)》更是明白准确地提出,要“加强智能有序充电、大功率充电、无线充电等新型充电研发技术”。这对于电动汽车动力电池大功率无线充电的研发企业而言,又是一个重大利好。

  过去充电桩行业的发展,就因为没有统一的标准,不同的充电桩接口各行其道,互不兼容。目前来看,无线充电非常有潜力在产业高质量发展的初期就统一标准,最终实现互联互通。

  打开新场景:智能化和无人驾驶已成为电动汽车的重要发展趋势,无线充电将成为未来无人驾驶的关键一环。中国电力企业联合会标准化管理中心主任刘永东认为,电动汽车无线充电技术正处于产业化的前沿,有两大优势:第一,与无人驾驶天然结合,“我们很难想象车辆能无人驾驶、自动泊车了,人还要到车位完成最后一个充电动作”;第二,能够最终靠 App 远程操作,使电动汽车跟电网很好地连接。

  在中兴新能源副总经理胡超看来,电动汽车无线充电则有两大清晰的商业应用场景:一是电动汽车自动化充电,如无人驾驶场景,未来会逐步普及;二是立体车库场景下的无线充电。由于国家对停车场地的充电车位占比有一定要求,如果是高层立体停车场,传导式充电电线很难拉上去,就需要装配无线充电。

  毋庸置疑,无线充电作为新能源车补能方式的新突破,即将迎来大规模的推广。但无线充电的发展也不是一蹴而就的过程,无线充电技术真正大规模落地还需要一些时间。据行业乐观预计,无线 年后会进入成熟期,届时无线充电设施会大规模生产和落地。

  国内新能源汽车产业高质量发展历程中,有个普遍的现象:路线选择常呈现一边倒的态势,不是三元力压铁锂,就是充电压倒换电。实际上在复杂多元的中国,很难有单一的方案能够很好的满足所有需求。

  在电动车保有量快速地增长的眼下,一个多元的补能体系才会更好地填补补能的缺口,充电与换电、有线充电和无线充电不会是非此即彼的替代品,其终极目标都是消灭补能焦虑,最终实现电动车的里程自由。

  未来,随着无人驾驶汽车政策的逐步放开和完善,无线充电和无人驾驶一样,都将会迎来自己的春天。

  [3]《中国新能源汽车产业高质量发展报告(2020 新能源汽车蓝皮书)》,中国汽车技术研究中心

  [4]《电动汽车无线充电两强合体,充电无线化会加速吗》,电动汽车观察家,邱锴俊

  本文来自微信公众号:车百智库 (ID:EV100_Plus),作者:周霜降

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