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电动汽车无线充电技术最新解析及应用案例

2016-09-06 10:37:23

[导读] 在政府的大力扶持下,近年来新能源汽车发展迅速,越来越多的人开始选择接受电动汽车这种环保的出行方式。同时也被许多汽车厂家认为是未来汽车发展的方向,而且都投入了大笔资金进行研发。不过,由于充电问题的现实阻碍,一直以来还没有得到充分推广。

在政府的大力扶持下,近年来新能源汽车发展迅速,越来越多的人开始选择接受电动汽车这种环保的出行方式。同时也被许多汽车厂家认为是未来汽车发展的方向,而且都投入了大笔资金进行研发。不过,由于充电问题的现实阻碍,一直以来还没有得到充分推广。

我们知道电动车最重要的部分莫过于电池和充电桩,由于技术瓶颈,短时间内它们只能使用锂电池,所以无线感应充电桩变成了另一个研发重点。与有线充电桩相比,无线充电有多种优势,能够顺应新能源汽车未来的发展趋势。

Q1:无线充电有哪些方式?原理是什么?

A:常见的有感应式,共振式和微波传输式等形式,都利用电磁感应原理实际上现在划分的无线充电类型有好些种,比如感应式、共振式、微波传输式等等,不过总体来说,它们的基本原理都是一样的,就是利用交变电磁场的电磁感应,来实现能量的无线传输。

 

 

电动车无线充电基本原理

(1)感应式的无线电能传输算是目前比较成熟的技术,很多手机无线充电、甚至我们常见的电磁炉就是利用的这种原理。由于数码设备空间小,接收线圈也小,加上充电设备功率小,所以通常充电的距离近(甚至需要与充电座接触),不过相对电磁辐射也小。

(2) 共振式则是著名的麻省理工目前在开发的一类充电技术,说起来也不复杂,他们利用电磁感应现象,加上共振的原理,能够提升无线充电的效率,共振传输的距离比普通感应式更远一些,而麻省理工目前正在进行小型化的研究——对于车长好几米的电动车来说,这方面的技术压力倒不是太大。

(3)微波传输此前更多出现在科幻电影或者小说里面,实际上它也是无线电力传输的一个很好的方式,只不过受到发送功率等方面的限制,并未大规模实用化。微波传输的最大好处就是传输距离远,甚至可以实现航天器与地面之间的能量传输,同时还可以实现定向传输(发射天线有方向性),未来前景值得期待。

Q2:无线充电的好处有哪些?

尽管无线充电桩的普及尚需时日,但是早已显现出了众多优势,比如安全性高、使用便捷、易于安装等优点。由于无线充电桩可采取分散布局的安装方式,既可以减小对电网造成的压力,也可以让电动汽车充电无需去固定的场所,自由度更高。

另外,无线充电在硬件方面的标准更容易统一,毕竟说服各家厂商把有线充电的接口都统一并不容易——在手机这方面就比较明显,各家的充电器都不太一样,但是无线制式却只有那么几种。

Q3:有待解决的问题有哪些?

A:传输效率,电磁兼容都是实现工程化需要解决的问题

传输效率是所有无线充电都面临的问题,对于电动车这样充电功率更大的“电器”来说更是如此——电能首先转换为无线电波,再由无线电波转换成电能,这两次转换都会损失不少的能量——这与本身就是绿色、环保的电动车来说,似乎显得有些格格不入。

电磁兼容也是无线充电需要解决的技术瓶颈之一,众所周知,电磁波很容易产生泄漏,当大功率的车用无线充电设备运行时,也会对周围的生物和电子设备产生影 响,甚至会危害人体健康,在大家谈辐射色变的今天是很敏感的话题,所以这方面如何处理也是电动车无线充电实现工程化需要解决的问题。汽车产品开发过程中,往往也会进行电磁兼容方面的的测试,而无线充电技术显然提出了更高的要求。利用封闭的自动智能化车库安装无线充电设备是解决电磁兼容比较好的途径,不过成本也确实不菲。

B:面临电气标准、辐射等方面问题

此外无线充电还是会面临电气标准等方面的问题,也有很多人对无线充电无线充电辐射持怀疑态度,据悉,其实相关企业的无线充电设施早已通过EMF电磁辐射检测,车内、车前、车头位置测试结果比世界卫生组织所推荐的国际非电离辐射保护委员会ICNIRP1998和ICNIRP2010标准给出的安全限值 27μT分别低409倍、138倍和3.8倍,对人体没有任何危害。这些都需要工程师和汽车厂商需要去解决的,不过相信关键技术问题解决之后,这些问题在大趋势下也会迎刃而解。

电动车无线充电发展现状

今年5月底,SAE发布电动汽车无线充电标准后,在国内外新能源汽车业界引起广泛热议。在做了充分的准备和基础技术研究后,中国自己的电动汽车无线充电标准也正式起航。中国电力企业联合会8月24日召开《电动汽车无线充电国家标准制定启动会》,此次会议邀请了中兴新能源等多家无线充电技术领域领先者共同参与,一同进行标准编制。而这次国家标准的制定将为电动汽车无线充电技术提供导向作用,并加强行业管理与指导,进一步推动无线充电桩的普及和应用,助力新能源汽车步入无线充电的时代。

从国外车企来看,特斯拉、沃尔沃、奥迪、宝马、奔驰等传统汽车都已经开始研发或测试旗下电动车的无线充电系统。全球通讯以及IT界的新贵们也将“触角”伸向了电动车无线充电的新领域。在无线充电的规划和静态还是动态充电的选择上,国内外车企则各有不同。

一、特斯拉——Modle S无线充电系统Plugless Power

特斯拉作为当今电动汽车厂商中的佼佼者,不仅旗下车型在续航里程与性能上走在了行业前列,更在车辆智能辅助驾驶、快速充电等科技、配套设施方面为其他厂商树立了榜样。在特斯拉发布Mdole S P100D、Model X P100D两款高性能车型之际,又有消息传出特斯拉为Modle S推出了一套专属的无线充电系统Plugless Power。

 

Modle S无线充电系统

据了解,特斯拉与一家名为Evatran的无线充电供应技术公司展开合作,研发出了一套专属特斯拉Model S的无线充电技术,这套无线充电系统的充电功率可达7.2千瓦,每小时为Model S充入的电量可以提供32公里的续航里程, Plugless Power用的是电磁感应式。

Evatran的无线充电系统被设计成了类似扫地机器人的模块形状,使用时车主需将车辆停在该模块上,此时固定在地面的充电模块和车内加装的越16公斤的接收模块便可以开始工作,为Model S充入电能。

二、沃尔沃——利用道路进行无线充电

沃尔沃的答案是利用道路进行无线充电。在瑞典,沃尔沃集团、瑞典电力公司 Alstom、瑞典能源局正在共同合作测试利用公路给电动汽车充电,通过将两个电源线铺设在公路上,电动车经过时便可获得电力供应。这项技术的核心在于汽车得搭载集电器,集电器与公路上的电缆连接,利用直流电充电。汽车不必走在电缆的中央,但必须时速大于 60 公里。

沃尔沃已经在瑞典的 Hllered 测试中心建立了一条 1/4 英里长的轨道,用一辆卡车进行测试。未来,当电动汽车需要充电时,必须安装无线发射器让道路感知,然后经过加密信号激活充电功能。由于对速度有要求,沃尔沃的这一充电系统适合在高速路上实行,如果未来成真,人们出远门的时候就不用担心电力问题。

瑞典也是欧洲首个大规模试验电动汽车无线充电技术的国家。参与测试的电动汽车将达 20辆,并主要用于市政活动。所测试的电动汽车无线充电技术为电磁感应式技术。目前关于电动汽车无线充电技术无统一标准。该测试项目受瑞典能源署资助,以期早日制定统一的欧洲标准。这也会给电动汽车无线充电技术带来一定的推动作用。

三、奥迪——可升降的无线充电系统

针对无线充电中存在的传输效率问题,奥迪提出了一个不同的解决方案,他们开发出了一种可升降的无线充电系统,其最大的特点就是可以让供电线圈更靠近车辆 底部的受电线圈,实现了超过90%的电力传输效率,这种方式能够让一些高底盘的SUV在充电时保证更好的充电效率。奥迪的无线充电技术仅需要用户将停车位上安置一块配置线圈和逆变器(AC/AC)充电板,并连接至电网,当车辆停在电板上时,充电过程会自动开启。

这种充电的原理是充电板内的交变磁场将3.3千瓦的交变电流感应至集成在车内次级线圈的空气层中,实现电网电流逆向并输入到车辆的充电系统中。当电池组充满电时,充电将自动中止。感应式无线充电所需的充电时间与电缆充电所需的充电时间大致相同,而且用户可以随时中断充电并使用车辆。

奥迪的无线充电技术效率超过90%,不受譬如雨雪 或结冰等天气因素的影响。同时,交变磁场只有当车辆在充电板上方时才会产生,并且不对人体或动物构成伤害。未来利用感应线圈的充电原理,奥迪电动汽车不仅可以在驶入车位后自动开始充电,甚至可以在设有感应线圈的公路上,一边行驶一边充电。

四、比亚迪——WAVE无线充电

比亚迪早在2005年12月就申请了非接触感应式充电器专利。在2014年7月卖给犹他大学一辆40英尺的纯电动巴士,这款巴士就装配着最新的WAVE无线充电垫。

 

比亚迪K7

比亚迪K7(可无线充电)

五、不断改进的日系无线充电巴士

日本无线充电式混合动力巴士:电磁感应式,供电线圈是埋入充电台的混凝土中的。车开上充电台后,当车载线圈对准供电线圈后(重合),车内的仪表板上有一个指示灯会亮,司机按一下充电按钮,就开始充电。早在08年这种无需插头与电源线且不直接接触电源就能充电的新型混合动力巴士15日在日本投入试运行,它被用于东京羽田机场航站楼之间的旅客运输。

 

日本无线充电式混合动力巴士充电原理

2016 年2月2日,早稻田大学与东芝的研发小组宣布开发出了高级电动公交车“WEB-3Advanced”,配备了无需连接电源线等即可远程供电的无线充电装置和锂离子电池。已从2月1日开始在川崎市殿町KingSkyFront地区和羽田机场周边地区实施公路验证实验。

为了在“短时间、安全、不麻烦”的前提下完成高频率充电作业,配备了东芝新开发的磁共振型无线充电装置,还做了以下改进:削减了空车重量和车辆初期成本、确保车辆空间、只需在驾驶席操作按钮即可充电。

另外,本田的无线充电技术采用磁场共振式,当发射端和接收端有着相同的共振频率,就能传递能量。据本田宣称,只要有80%的面积重合,就可以为车辆充电。因此对于位置要求相对低,且支持一对多充电。

六、高通——Halo 电动汽车无线充电技术

在2015年4月22日的Formula E电动方程式锦标赛上,高通就展示了自己研发的Halo无线汽车充电技术。高通用作技术展示的车型是一对略有改装的宝马i8混合动力汽车。

高通Halo部门高级副总裁 Graeme Davison表示,公司对于感应式充电的兴趣原本集中在个人电子应用上。他们位于瑞士的研究部门开发了一种高功率的感应充电技术,但研究人员却找不到它的用武之地。而如今被电动汽车所采用之后,Halo所面临的问题是这种原本为智能手机所构想的技术能否在提高强度之后为汽车服务。

高通Halo的感应充电系统工作原理

高通Halo的感应充电系统实际上是个相对直接明了的构想。想要了解它的工作方式,你首先可以想象出一个变压器:它由两个铁氧体组成,两者的旁边还各有一个电线线圈。一般来讲,这两个部分是连接在一起的。交流电会在第一个线圈中被转换成磁场,随后再被第二个线圈转换成直流电。而高通Halo却将两个铁氧体分离开来,并让系统跨越空气间隔实现最大功率传输。

和智能手机一样,汽车获得无线充电的方式非常简单。你只要将车开到充电垫的正上方,当充电线圈对齐之后,电流便会开始输送到汽车当中。如果汽车和垫子之间存在外来物体,系统还可自动暂停充电。

我们都知道,手机无线充电的充电速度非常慢,那换到电池容量大得多的电动汽车身上,充电速度会不会更慢呢?让人意外的是,情况并非如此。实际上,传导充电的效率和有线充电差不多。“由于交流电到直流电的转换和充电接口的低效率等因素,传统充电的充电效率大约是95%,”Davison说,“而无线充电目 前是 90%。”在使用这种技术时,充电速度的限制实际在于汽车能够接受多少电能,而这套系统可兼容3.3kW(13A ,220V)和6.6kW(20A,220V)两种电源供应。

 

高通展示无线充电技术

Halo 的无线充电器被放置在了车尾的位置,它看上去是一个比机顶盒稍大一些的金属盒子,并连接着几条橙色的电线。至于另一半的充电器,自然就在汽车的下方。感应充电其实是可以作用于移动中的车辆的,之前就有工厂使用这种技术来对机器人和货车进行充电。Davison表示,Halo目前已经具备了半动态充电的能力,可在最高30mph的速度下进行电能传输。

近期,高通和全球领先的汽车座椅与电气系统供应商Lear Corporation宣布,双方已签订电动汽车无线充电许可协议。Lear将在其产品组合中纳入高通Halo 电动汽车无线充电技术,支持插电式混合动力汽车和纯电动汽车制造商及无线充电基础设施企业实现电动汽车无线充电系统的商用。

七、中兴——非接触的电磁感应方式

中兴通讯的无线供电系统是通过非接触的电磁感应方式进行电力传输。当充电车辆在充电停车位停泊后,就能自动通过无线接入充电场的通信网络,建立起地面系统和车载系统的通信链路,并完成车辆鉴权和其他相关信息交换。充电位也可以通过有线或者无线的方式和云服务中心进行互联。一旦出现充电和受电的任何隐患,地面充电模块将立即停止充电并报警,确保充电过程安全可靠。最重要的是,无线充电系统在车辆运行时完全不工作,即使车辆在上面驶过,或者在雷雨等恶劣天气情况下,也能确保安全。

资料显示,中兴无线充电技术有四个方面优势:充电不占场地,全自动无人值守,不增加车辆自身重量,良好的电池保护功能。一辆车充满电量需要5~6个小时,一次充电车辆可以运营200多公里。

2015 年2月12日消息,据路透社报道,中国智能手机制造商中兴通讯的一名高管透露,公司计划在今明两年各投资15亿元和20亿元,共35亿元研发汽车无线充电技术。中兴通讯企业战略部门主管George Sun表示,公司已在国内同20多个城市签署协议,将为公共交通运输提供无线充电技术。Sun称:“到目前为止,我们获得了非常积极的回应。公司为当地政府解决了电动汽车最为头疼的充电问题。”

中兴计划在50-100个中国城市进行无线充电技术的预商用尝试。并且Sun表示,中兴通讯正与几家中外汽车制造商就无线充电技术车辆洽谈合作,但拒绝进行详细说明。截至目前,在郑州之外,中兴新能源汽车在全国深圳、贵阳、襄阳等11个城市参与投资建设无线充电项目。

总结

IT大鳄谷歌也正为无人驾驶汽车开发无线充电技术,在加州总部,谷歌已经开始为原型电动无人驾驶汽车测试两套无线充电系统。

商业模式方面,中兴通讯采取的主要策略是获得地方特许经营权,再与整车企业合作开展无线充电业务。目前,中兴通讯与东风汽车联合发布了三款无线充电新能源商用汽车,并在湖北襄阳启动新能源汽车大功率无线充电系统的公交商用示范线。

无线充电技术作为一种炫酷、便捷的充电方式会逐渐在电动汽车搭载应用,而电动汽车的走俏也为无线充电技术开辟了新的市场商机,我们期待着无线充电技术在将来能够大放异彩。

从短期来看,电动汽车无线充电模式还需要消除消费者在辐射安全方面的顾虑,同时,在商业模式方面,需要经过一个探索的过程;但从长期来看,无线充电具有明显的便捷性,是有益的探索。对重资产运营的充换电基础设施建设的企业而言,做出重大决策时,务必要放眼长远。

[整理编辑:CK365测控网]
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