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无线充电:促进电动汽车普及的重要技术
- 2019-06-14-

一、无线充电带来变革    

目前各类电动汽车的充电方式主要以充电站、充电桩或更换电池的模式为主,虽然全球充电站和充电桩的建设速度日益加快,但仍然无法匹配电动汽车快速增长的需求,成为了制约电动汽车发展的zui大瓶颈之一。    

WCT作为一种新兴的充电技术,相比于传统充电技术,具备可靠性高、安全性高、空间利用率高、单位投资效益高、建设时间短、使用与管理便捷等优势。    

一是可靠性高。传统有线充电站模式在恶劣天气使用非常不便,充电设备易受环境影响产生积尘老化等问题,后续设备维护难度高成本大。而无线充电可以采取密封安装与无接触使用,可在恶劣天气条件下进行使用并提高了可靠性。    

二是安全性高。电动汽车无线充电没有外露的连接器,彻底避免漏电、跑电等安全隐患,保障人身安全。    

三是空间利用率高。由于无线充电设备贴近地面安装,甚至可以埋入地下,在相同建设面积情况下,可植入的充电设备数量更多,增加了充电站空间利用率。    

四是单位投资效益高。2000万投资,有线充电仅能提供4-8个停车位,支持40辆左右大巴,而无线充电可建造80个停车位,支持400辆大巴,或1000辆左右乘用车停车位。    

五是建设时间短。相比于一个有线充电站需要约6个月时间建设,无线充电仅需一个月,其中包含两周水泥凝固时间。    

六是使用与管理便捷。无线充电设备简化了充电流程,可以配合网络进行无人化管理,无需专业人员值守,将来更可以配合自动驾驶与车联网,在方便了用户的同时也降低了充电站的运营成本。    

二、无线充电发展历程    

zui早提出WCT设想的是尼古拉•特斯拉(Nikola Tesla)。1890年,特斯拉提出:把地球作为导体,在地球与电离层之间建立起低频共振,利用环绕地球的表面电磁波来远距离传输电力。1901年,特斯拉尝试建立瓦登克莱弗塔(Wardenclyffe Tower)。这其实是一个大功率的无线发射塔,按照特斯拉的设想,它可以向大西洋对岸传送电话、广播,甚至无线输电。由于缺乏足够资金,特斯拉的尝试以失败告终。但人类对WCT的研究并未就此终结。在随后的几十年中,经过不断的研究与改善,WCT逐渐普及推广。    

20世纪60年代初期,雷神公司(Raytheon)做了大量的无线充电研究工作,从而奠定了无线充电的实验基础,使这一概念变成了现实。    

2007年6月,麻省理工学院(MIT)的Marin Soljacic带领的研究团队在美国《科学》杂志的网站上发表了研究成果,团队利用电磁共振器和电源隔空点亮了一盏2 m 开外的60 W 电灯泡。这项技术zui远传输电能距离为2.7m,但研究者相信,电源已经可以在这范围内为电池充电。而且只需要安装一个电源,就可以为整个屋里的电器供电。    

三、无线充电技术方式    

WCT简单来说是将电能转化为可无线传播的能量形式并发射出去,然后再在接收端将接收到的能量转化为电能,从而实现电能的无线传输,并进一步将电能存储到电池内实现充电。    

WCT可以分为四种类型,第1类是通过“电磁感应”(MI)磁耦合进行短程传输,第二类是将电能以电磁波“射频”或非辐射性谐振“磁场共振”(MR)等形式传输,第三类是将电能以微波的形式无线传送,即“无线电波”形式,第四类则是“电场耦合”方式。    

电磁感应式WCT,是利用电磁感应的原理,通过线圈间的感应耦合作用使能量从发射线圈转移到接收线圈,从而实现短距离的无线电能传输,类似于变压器的原理。电磁感应式WCT的主要优势在于工作频率一般为几十KHz,输出功率大、效率高。磁感应能量耦合一般会采用铁氧体磁芯,能够大大提高线圈间耦合系数,提高无线传输效率。缺点是对位臵敏感度特别高,需要原边侧和副边侧距离贴近且位臵高度对准,传输距离较近,一般为几mm 到数十cm 距离。    

磁场共振式WCT,同样采用电磁感应原理,不同之处在于发射与接收线圈采用谐振方式工作。将发射线圈的工作频率与接收线圈的谐振频率调节一致,形成共振,可以在接收线圈中产生电流,实现电能的无线传输。磁场共振式WCT的主要优势在于可以实现中远距离传输,能够达到几cm至几m;对于线圈对位精度要求不高,有助于充电设备建设;发射装臵与接收装臵都可以采用密封结构,对于恶劣环境的可靠性与适应度很高。缺点是损耗很高,距离越远,传输功率越大,损耗也就越大,必须对使用的频段进行保护。    

无线电波式WCT,主要由微波収射装置和微波接收装置组成。接收电路可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量,在随负载作出调整的同时保持稳定的直流电压。    

电场耦合式WCT,利用通过沿垂直斱向耦合的两组非对称偶极子而产生的感应电场来传输电能,其基本原理是通过电场将电能从収送端转移到接收端。    

无论哪种类型,其实都是为了解决一个问题:充电便利性。综合来看,电磁感应式与磁场共振式是目前zui为合适的WCT,目前正在进行无线充电研发的车型几乎都使用此两种技术。    

电动汽车采用电磁感应式或磁场共振式其构型基本一致,将充电电缆和反射线圈埋设在停车位组成供电机构,当车辆驶入停车位,安装在车辆底部的接收线圈与发射线圈重合,车辆与充电服务器建立通讯开始充电,发射线圈产生交变磁场,接收线圈产生电流通过逆变器将电能传递到电池。    

四、当前研发无线充电的主要企业    

从技术路径而言,目前正在进行无线充电研发的车型几乎都使用电磁感应式或磁场共振式WCT。    

采用电磁感应式的企业主要有宝马、奔驰、奥迪、沃尔沃等。    

宝马在2017年9月宣布,2018款530e混动汽车将配有无线充电系统配件。宝马汽车的无线充电系统由一个可以安装在车库的集成初级线圈基座构成,车库的上层可以安装一个次级线圈。在两个线圈之间产生交变磁场,电力以高达3.2kW的充电速率进行无电缆传输。具体使用时,客户只要将车停于充电板上后熄火,无线电充电功能将自动启动。宝马530e搭载9.4千瓦时电池,大概需要3.5个小时就可以充满,充电速度比3.7 kW的车载充电器要慢一些,仅供2018款宝马530e在电动模式下能行驶16英里(26公里)。    

梅赛德斯奔驰计划于2018年推出头款无线充电系统,感应充电垫子被放置在车库或车道的地板上,车库或车道将动力传递到安装在车辆下侧的接收器板。当车辆进入充电垫的范围时,汽车显示屏上的指示灯将引导用户进入zui有效充电的zui佳位置。该系统支持的充电功率仅限于3.6 kW,意味着充电将需要更长时间。    

奥迪于2017年7月亮相的A8L e-tron 插电式混动车采用无线充电技术,当车辆行驶到无线充电基座上时,基座会自动升起,贴近车辆底盘上的次级线圈通过磁场接收电能,功率为3.6kW。该无线充电技术的充电效率可达90%。    

采用电磁共振式的企业主要有高通、丰田等。    

高通是电动汽车无线充电的ling先厂家,通过收购专注于无线充电的公司Halo,获取WCT。高通于2017年5月发布新闻称,已经完成了电动汽车行驶中无线充电试验,在100Km时速情况下,能达到20Kw的无线充电功率,并且测试了同时对两辆行驶中的车辆进行无线充电。高通称该项技术为DEVC,即动态电动汽车充电(dynamic electric vehicle ging),是其无线电动汽车充电WEVC(wireless electric vehicle ging)解决方案的一种新方式。    

除高通外,WiTricity,Evatran,KAIST等也提供面向电动汽车的WCT。    

WiTricity研发的DRIVE 11无线充电系统,zui大功率输出为11 kW,zui高能效达到94%,该产品参照电动车及混动车标准版无线充电器的设计。DRIVE 11采用了可互操作性设计,其地面发射板(GA)可为车辆提供充电服务,提供三种业内标准(3.6 kW、7.7 kW或11 kW),可直接在地面上或采用地埋铺设(ground-in)的方式安装。DRIVE 11车载接收板(VA)也提供低、中、高地隙(low-, -, and high-ground clearance)三种版本,可为各类乘用车、SUV及轻卡充电。    

Evatran开发出了Plugless Power系统,可为特斯拉Model S提供无线充电。安装完成后,用户只需将车停到充电板上就可充电。从充电效果看,该系统相当于7.2kW二级线圈式充电桩,每小时充电量可供行驶20英里,对Model S60而言,充满电量需要8小时,Model S70需要10小时,Model S85需要12小时。如果没有车库,系统还能安装到户外,因为它防雨水,能经受的温度范围约-18度到50度。    

五、无线充电面临的主要问题    

虽然WCT优点明显,但也存在不少问题。    

一是无统一技术标准。目前全球WCT标准包括两大联盟:WPC和AirFuel Alliance(2015年1月,PMA和A4WP宣布合并)。Qi标准由WPC制定,主推电磁感应式。 AirFuel的标准由其前身之一A4WP制定,主推磁场共振式。不过,目前标准的统一化正在推进。    

二是充电效率问题。单纯从效率数值角度来看,WCT的充电效率峰值一般在90%左右,而传统充电效率可达95%。不过,随着技术研发投入的不断加大,已有多家公司表示实现了无线充电效率的大幅提升。    

三是传递功率不够大,以目前的技术大多数传递功率一般在10kw以下。不过,在电动汽车上无线充电一般为慢充,这个功率是满足需求的,另外随着技术发展这个功率也会不断提升。    

四是电磁辐射安全。WCT以电磁波的形式进行能量传输,可能会造成终端用户对于电磁辐射安全的忧虑。不过,根据对无线充电桩磁感应强度检测,数值远低于ICNIRP(国际非电离辐射防护委员会)给出的安全限值,电动汽车无线充电的辐射值在安全范围以内。    

六、无线充电的未来趋势    

未来,车企WCT商用化进程将进一步加速。    

一方面是行业技术标准的确立和完善。2016年5月,美国汽车工程师协会(SAE International)发布了以WPT(Wireless Power Transfer)为纯电动及插电混动汽车充电的技术指南——SAE TIR J2954。制定了低速充电方面的无线能量传输的WPT协议,并为高速充电模式预留空间。SAE TIR J2954出台目的是保证车用无线充电应用的安全性和高效性,同时促成关键零部件参数和标准的统一,计划在2018年完成zui终的标准化工作。汽车产业将这项指南的发布视为推动无线充电标准化的关键一步。此外,国际电工委员会(IEC)也在IEC 61980标准基础上,发布了两个重要的补充规定61980-2和61980-3,进一步完善了整车无线充电标准。大功率无线充电标准逐步完善。    

另一方面是无线充电车道的推广。无线充电车道类似于加油站,当电动汽车电量不足时,就可以驶入铺设有无线充电系统的车道上,边走边充电,而且全过程不需要驾驶者下车操作。2013年,韩国科学技术院(KAIST)开发一个名为“网上电动车”(OLEV)的平台,推出了世界上首条可连续充电的公交车道。感应充电依赖于道路下面的磁场充电板和公交车里的磁场充电板。当支持感应充电的公交车经过道路上的磁场充电板时,二者就会“连通”,电流就会进行传输,从而给车上的电池充电。2016年,我国首条电动汽车无线充电车道也在广西面世。目前,包括中国在内,全世界多国都在研制无线充电车道,未来其推广程度将进一步加大。    

由于具备可靠性高、安全性高、空间利用率高、使用与管理便捷等优势,WCT将成为未来电动汽车充电设备的主要发展方向之一。总体来看,目前大功率WCT已经较为成熟,WCT的发展将首先寻求与主流传统充电技术的共存,逐渐改善充电设施的便捷性与适用性,然后结合无人驾驶与车联网技术实现全面的推广普及。未来技术升级与普及推广将带来无线充电设备制造成本的进一步降低,随着新能源汽车的不断普及,相应对充电设施的需求也呈几何级别增长,WCT将深刻的改变目前电动汽车充电设备的格局。