技術與場景角度簡析：車用無線充電技術的商業化阻礙

時至今日，無線充電技術對大眾而言，已不再是一件新鮮事。在消費電子領域，iPhone等多款高端手機早已支持無線充電的功能。但在汽車領域，即便是新能源大潮如此洶湧，配備無線充電功能的汽車卻依然寥寥無幾，直到這兩年，我們才看到寶馬550e、榮威Marvel X等乘用車才開始陸續支持無線充電功能。

那麼這項技術是什麼原理，發展現狀如何，未來何去何從？且聽這篇文章為大家簡要道來。

一， 車用無線充電技術溯源

無線充電技術可以上溯到赫茲和特斯拉，其奠基人正是著名發明家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）。特斯拉先生在19世紀末的哥倫比亞世博會上，首次用無線電能傳輸的方式將一盞磷光燈點亮。而無線輸電技術的早期發展，也充滿了特斯拉的夢想與實踐。

在特斯拉的宏偉設想中，利用地球作為內導體、電離層作為外導體，在二者之間利用電磁波實現遠距離輸送電力。直到1901年，被稱為特斯拉最大夢想的——沃登克里弗塔（Wardenclyffe Tower），在銀行家摩根的資助下開始建設，並開始無線輸電實驗。這座傳奇之塔在之後與傳說中通古斯大爆炸的關係已然成謎，特斯拉也因為這座塔停止運作後陷入了財政危機。

在這之後的100年里，無線輸電技術雖然陸陸續續出現在各式各樣的實驗研究里，但從未開始過真正的商業化運營。毫無疑問，高效是這項技術應用的首要要求。

汽車無線輸電則更為特殊——除了效率的需求之外，這更多是由於汽車的特性決定的：

• 功率需求：汽車無線充電功率等級較高，由於電動汽車電池大，充電時間要求盡量短，因此需要充電系統有幾千瓦乃至幾十千瓦的功率；
• 間距與尺寸：汽車無線充電的間距是有汽車離地間距決定的，跟聚SAE輕型車無線輸電的標準中，距離等級分為10-15/14-21/17-25cm，這與手機無線充電也大為不同，與此同時，充電線圈的大小也要盡量匹配汽車，儘可能輕；
• 效率：由於有線充電效率極高，因此無線充電就務必要達到至少85%的效率，才具有商業化的意義；
• 數據通訊：對於汽車來說，這套系統需要駕駛員遙控操作，此外該充電系統的開啟與信息傳導也是必需的：車端電池的需求充電電流、安全狀態等信息要傳回到地面端。

而隨著電動汽車的推廣，電力電子和電池技術的進步，汽車無線充電也終於再次回到了舞台上，儘管只是主流舞台的小節目，但也逐漸引起了大眾的關注。

二， 無線充電技術原理

那麼，汽車無線充電技術是什麼原理呢？它並不是什麼天頂星科技，但是還是有一些門道可說的。

首先要說明的是，我們常用的無線電廣播、Wifi等屬於無線信息傳輸，不屬於無線能量傳輸。而如果將無線電能傳輸，按傳輸距離遠近進行分類，從遠到近可以分為微波、激光、超聲波、電場耦合和磁場耦合五類技術。有的研究者根據 （D是發射線圈最大直徑，λ是電磁波波長）將這些技術區分為遠場區與近場區兩類。

遠場區技術更適用於長距離、低效率需求的電能傳輸；而近場區技術的近距離高效的特徵，則讓它更適用於近距離無線輸電，而在近場區技術中，電場耦合式功率較小，而磁場耦合技術則更為適合。

傳統的磁場耦合技術僅適用於近距離，而2007年MIT教授Marin Soljacic團隊的研究表明，在發射和接收端加入調諧網路後設計的磁耦合諧振無線輸電，可以進一步提高傳輸距離，在兩米距離點亮了60W功率的燈泡，並仍保持了40%的效率。這一研究重新點燃了無線輸能領域的研究熱情，後來的研發投入使得電動汽車無線輸電的需求得到滿足（距離15-50cm；效率大於85%；千瓦級大功率），使之商業化成為了可能。

而在磁耦合諧振無線輸電的技術基礎上，研究者和工程師們進行了廣泛的研究，包括線圈設計、諧振網路構建等方面的工作。而如果將汽車無線充電分為兩類，可以分為靜態無線充電與動態無線充電兩類。這樣的分類很容易理解，可以認為分別是停車充電與開車充電的差別。

三，實地案例與發展難題

我恰好參加過相關無線充電示範運行的測試研究。並在兩年前有機會到訪其中一條無線充電客車線路，該充電系統的具體參數不作介紹，它的實車傳輸效率實際已經可以達到較高的程度，超過了87%。下面簡單講講這個示範的無線充電案例。

在這條運營線路中，有兩個充電位布置在公交始發站，有四輛無線充電公交車與四輛燃油車交替運行。下圖中停車位鋪設的長方形充電位即埋設的兩組充電原邊線圈，在客車車底安裝了副邊線圈，當客車停放入位後，對準充電位，則可以由司機開啟無線充電。

總體來看，無線充電相對於有線充電的優勢是得到發揮的，那就是司機不需要插拔充電頭，避免有線充電插頭的損耗，可靠性高；司機在駕駛位上停完車一鍵即可充電，操作簡單，無需專業人員；無線充電技術的效率足夠，可以達到87%以上；無線充電線圈的設計功率為單個30kW，兩組線圈即使限功率運行，也可以達到40kW以上的充電功率。此外，大家比較關心的電磁輻射問題，在充電過程中的實地的電磁輻射水平符合ICNIRP 2010的輻射標準。

但與此同時，實際運營中也存在著一些問題：

一，由於對充電線圈對正要求還較為嚴苛，停入停車位後，司機需要反覆進行車的姿態的調整以確保對齊，這對於大公交車來說非常考驗司機停車技術，平均大約需要花費一分鐘的時間來調整停車位置；

二，在實際的充電過程中，司機開啟充電後，充電系統需要約一分鐘左右的時間才能夠全負荷運行，這意味著在公交站台設置充電位，隨時停車隨時充電的設想，以目前的技術水平還難以實現。當然，這是2016年的技術水平了，該問題也可能是為了保證電路安全特意設計的，或許存在優化空間。

那麼阻礙無線充電在汽車領域推廣的問題何在呢？

第一點是技術本身優點不明顯。

目前來看，如果停留在靜態無線充電，和有線充電比較來看，其主要的優勢就是方便，無線輸電效率儘管已經達到較高水平，但卻仍然低於有線充電。

靜態無線充電還存在著一些小毛病有待解決，例如如何檢測排除充電兩端線圈中的異物？這就是一個值得研究的問題。要知道如果有任何金屬部件，哪怕是回形針，落在了兩個線圈中的落葉里，也有可能引起火災。又或是有小貓小狗等活物，處於兩個線圈中，大功率輸電也會給動物帶來很大的安全威脅。

而動態無線充電，雖然沒有上述的小問題，優點很大，但是實施起來成本極高，需要改造的不僅僅是一個車位，而可能是一整條道路的大幅度改造與維護，成本極高。

第二點是缺少統一標準。

儘管SAE在兩年前推出了電動汽車無線充電標準SAE TIR J2954，中興、華為、高通的踴躍投入，也有機會成為該領域的標準制定者。但與此同時，缺少技術標準也恰恰限制了該技術的普及。更不用說，汽車無線充電技術標準的設立，不僅僅是汽車領域的工作，還需要修訂國內外相關電磁管理的標準條例；此外還需要同時與國際電磁機構互相報備，以確保相關頻段的無線電波不會受到影響。國內無線充電系統標準仍在草案階段，其他各國也都需要克服該問題。

第三點是電磁輻射的公眾疑慮。

儘管目前還沒有確切的理論表明電磁輻射對人體的危害程度。輻射水平的評價，也只能參考各研究組織公布的限值。但是對於公眾來說，電磁輻射本身就是一個「敏感詞」，無線充電能不能被大眾所接受，也同樣有待觀望。

相關研究也有很多，針對車內外的乘客進行了輻射值的測量，數據顯示符合國際標準，但更加嚴格的國內標準卻未必能夠滿足。

最後，關於無線充電未來的發展，研究者們非常欣喜地看到車企巨頭如豐田、日產、本田、寶馬；供應商如博世、高通、華為、中興等等公司紛紛投入其中大力推廣無線充電。而除了完善靜態充電技術和標準，持續推廣降低成本之外；動態無線充電也是一個極具潛力的方向。限於成本，動態無線充電即使是示範運營還不多，目前來看，固定線路的運行，如快速公交（BRT）、園區無人物流車、廠內AGV這些場景，或許將是動態無線充電的突破所在。

參考文獻：

Patil D, McDonough M K, Miller J M, et al. Wireless Power Transfer for Vehicular Applications: Overview and Challenges[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2018, 4(1): 3-37.

Kurs A, Karalis A, Moffatt R, et al. Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances[J]. Science, 2007, 317(5834): 83-86.

高大威, 王碩, 楊福源. 電動汽車無線充電技術的研究進展[J]. 汽車安全與節能學報, 2015, 6(04): 314-327.

推薦閱讀：