弯曲瞄准,一条略显笨拙的金属舌仿佛拥有生命——这是特斯拉在 2015 年研发、并由其收购的 Wyferian 公司最终完成的车用自动充电机械臂。摆脱了充电线的束缚,车辆即停即充,似乎终于步入了理想状态。
然而,这套系统的充电功率仅为 11 千瓦,与动辄 300 千瓦的有线快充相比,显得有些捉襟见肘,其前途似乎堪忧。但新能源车企们并没有轻易放弃这种“文火慢炖”式的无线充电方式,网络上也充斥着无线充电将成为未来主流的论调。
车用无线充电与我们熟悉的手机无线充电原理相似,其奥秘在于电与磁的相互转换。汽车底部装有一个接收平板,由 PVC 层、接收线圈、支撑层、磁芯和铝板组成,用于接收能量。
同样的配置也埋设在不远处的地面下,与电源相连,用于发射能量。当两个线圈对齐时,隔空送电便开始了。
电网中的交流电经过滤波、整流、功率因数校正和功率放大后,变为高频交流电进入发射线圈。根据电流的磁效应,线圈周围会形成高频交变磁场;而根据法拉第电磁感应定律,接收线圈会在磁场中感应出交流电,这股电流再次经过整流和滤波,最终抵达蓄电池,为汽车供能。
功率与安全:无线充电的挑战虽然原理基于高中物理知识,但在实际应用中,过低的充电功率和发射过程中的损耗使得目前的无线充电技术只能解燃眉之急,无法满足车辆的快速补能需求。通过在发射端和接收端各自加入 LC 谐振电路,产生的共振可以让两端实现高效耦合,使电能在中等距离下传输,甚至实现多车同充。
这就是磁耦合谐振式无线充电。然而,没有了线缆的束缚,这种开放式充电也容易受到外部因素的干扰:线圈之间任何细小的金属物件都可能因涡流效应发热升温,引发火灾风险;擅自闯入的动物也同样会增加风险系数。
因此,车上通常需要为无线充电配备异物检测和活物检测系统,通过传感器、红外 LED 甚至激光雷达对充电区域进行严密监控,一旦异物入侵,立即断电以确保安全。
即便安全问题得以解决,充电效率低仍然是无线充电的硬伤。依靠电磁场进行能量传输的过程中,不可避免地会因耦合损耗、空气介质阻尼和辐射损耗等因素损失部分能量,而电磁波的能量又会随着距离的增加而衰减。
当线圈对不齐或距离太远时,车辆就会面临充电不足甚至无法充电的窘境。
优化调谐网络和线圈是解决问题的关键。研究表明,除了四种基础的调谐网络外,还有许多高阶调谐网络结构被研发出来,它们相互配合可以有效降低损耗,提升传输效率。
同时,线圈也发展出多种缠绕方式,在增大偏移容忍度、提高效率的道路上不断探索。
目前,已有多家企业投身于无线充电技术的研发和布局。2018 年,世界上第一款搭载无线充电系统的纯电动车型荣威 Marvel X 问世。
两年后,一汽红旗也推出了配备无线充电的红旗 EHS 9。智己、宝马、沃尔沃等汽车品牌近年来也推出了支持无线充电的车型。
动态充电:无线充电的未来图景比静态充电更具吸引力的是动态充电。设想在路面下方,按照一定距离嵌入多个线圈,并将它们与电网相连。
当安装了接收线圈的汽车沿路面行驶时,就能捕捉电流并存储到车载电池中,实现边跑边充。位于长春的中国一汽科技创新基地,已经建成了这样一条测试道路,全长 120 米,最高充电功率可达 30 千瓦,汽车驶过时可以获得 1.3 公里的续航。
除了动态充电,无线充电技术还将赋予电动汽车新的角色。在用电高峰期或应急用电期,电动汽车可以化身为移动充电宝,通过无线充电将电力反向输送给电网或住宅。
与有线充电相比,无线充电无需考虑接口的兼容性和触电风险,真正实现哪里需要充哪里。
随着电动汽车普及率的提高和政策的大力支持,无线充电市场还将出现显著增长。根据 2023 年的报告预测,全球电动汽车无线充电市场规模预计将从 2023 年的 8,000 万美元增长至 2030 年的 12.79 亿美元,年复合增长率达到 48.4%。
对当下的车主来说,无线充电只是免去了下车后插拔充电枪的短短几秒钟。但在未来的全自动驾驶时代,无线充电或许会成为智能出行的最后一环,毕竟一个成熟的电动汽车需要学会给自己找电充,而面对这样的场景,无线显然要比有线更加优雅和便捷。
在这一切真正到来之前,我们不妨让电力再多“飞”一会儿。