特斯拉入局,大功率无线充电与“边走边充”还有多远?

admin 242 2023-08-25

马斯克曾表示,与250千瓦、350千瓦功率的超级充电站比,电动汽车无线充电显得“低效无能”。言外之意,短期不会布局无线充电。

但话音刚落不久,特斯拉就宣布收购德国无线充电公司Wiferion,收购价格高达7600万美元,约5.4亿人民币。这家公司成立于2016年,专注于工业环境的自动驾驶运输系统和无线充电解决方案。据报道,该公司已在工业领域部署了8000多个充电器。

意料之外,也在意料之中。

在之前的投资者日上,特斯拉全球充电基础设施负责人Rebecca Tinucci就提出了适用于家庭和工作场所的潜在无线充电解决方案的构想。想一下也理解,无线充电是补能体系中不可或缺的一环,早晚会成熟,因此,特斯拉收购Wiferion,提前卡位合情合理。从公开信息来看,Wiferion技术更多应用于工业设备和机器人,后期可能被安装在特斯拉的造车设备或者人形机器人“擎天柱”上。

法国拟建电动汽车无线充电道路

并非只有特斯拉,在电动汽车领域保持全球领先地位的中国,也在无线充电技术持续探索。2023年7月底,在吉林长春一条全长120米的高功率动态无线充电道路上,一辆无人驾驶的新能源汽车在有着特殊标识的内部道路上平稳行驶,车内仪表台显示“正在充电中”。据测算,新能源汽车行驶过之后所充的电量可以让它继续行驶1.3公里。去年1月,成都也开通了中国首条无线充电公交线路。

在新能源行业里,特斯拉具有示范效应,从一体化压铸技术到4680大圆柱电池电芯,无论是技术,还是技术、产品创新方向,往往一举一动被奉为圭臬。此次布局电动汽车无线充电技术,能不能催熟这一领域,推动无线充电技术走入寻常百姓家?

电磁感应VS磁场共振,无线充电技术哪家强?

其实,无线充电技术并不新鲜,也不存在较高的技术门槛。

从原理上看,无线充电多为电磁感应电力传输、磁谐振电力传输和微波电力传输、电场耦合式无线电能传输。用于汽车场景下的一般为电磁感应式和磁场共振式,分为静态无线充电与动态无线充电两种。首先是电磁感应式,通常包括供电线圈和受电线圈两个部分,前者安装在路面,后者则集成在汽车底盘上,当电动汽车行驶至指定位置时,就可以对电池进行充电。由于是通过磁场传送能量,不用电线连接,可以做到无导电接点外露。

电磁感应无线充电演示

目前,上面这种技术已广泛用于手机无线充电,但弊端是传输距离短、位置要求严格,能量损失也较大,并不一定适用于未来的汽车。甚至是,距离从1CM拉开到10CM,能量的传输效率就会从80%降至60%,存在电能浪费现象。而磁场共振式无线充电技术则由电源、发射面板、车载接收面板和控制器组成,当电源发送端电能感应到相同共振频率的汽车接收端时,通过磁场同频共振来隔空转移能量。

更专业的表述是,当我们用一个射频能量来激励发射端时,会在发射端周围产生无功率场,在这个场中任意位置、任意时刻的磁场和电场之间呈正交关系,并且在相位上相差1/2pi, 而且磁场强度远高于电场强度,它可以储存能量,但合成的电磁波功率流密度为零,不会传输任何能量。当我们将具有同样谐振频率的接收端放置于这个场内时,收发端之间就会出现同频磁场谐振,能量从发射端以磁场的形式耦合到接收端,从而实现能量的空间转移。

相比电磁感应式,磁场共振方式的能量损失小,效率能达到90%以上,且不受位置的严苛限制,有更长的传输距离,只要收发频率相同,距离10米也没问题,还能实现一对多充电。目前已经有不少主机厂在探索磁场共振的技术路线。

微波电力传输就更神奇了,适合于远距离传输电能。比如将辐射能量更强的太空中的太阳能,以微波的形式传输到地面,不需要任何电缆连接。这是人类几百年来的梦想,但进展缓慢。1968年,捷克裔美国科学家、NASA工程师彼得·格拉泽(Peter Glazer)就畅想过,将太阳能电池板发射到距离地面3.6万公里的地球同步轨道上,产生的电力转换成微波,由地面接收站转换成电能。

只不过,这一无线电力传输技术还面临着复杂的技术和应用挑战。

暗潮涌动,无线充电技术的“悸动”

对电动汽车无线充电技术感兴趣的,除了特斯拉,还有很多同行。目前,被特斯拉收购的Wiferion公司走的是电磁感应的技术路线,可以将充电效率提升到93%,如果将车辆放置在充电器上,最多可允许40毫米内的位置误差。

比静态无线充电技术更性感的是动态方式近日,法国为电动汽车铺设了一条长达2公里的无线充电道路,车辆在行驶的过程,电池就能自动充电。

有同样奇思妙想的还有瑞典,他们在建设世界上第一条永久的电气化道路,位于首都斯德哥尔摩、哥德堡和马尔默之间三个重要城市的枢纽干线上,沿着欧洲 E20 路线在哈尔斯贝里和厄勒布鲁之间延伸21公里,是法国的10倍,预计2025年开通。届时,不仅是通勤车辆可以充电,往返这条道路上的商用车也能实时补能。瑞典还宣称,未来要将90%、3000公里的道路电气化。

动态无线充电的探索既有电磁感应式,也有磁场共振技术路线,可以为行驶在道路上的多台车辆同时充电。特别是对于戈壁、沙漠等环境下的补能需求,如果道路两旁安装上太阳能光伏板,并配建一定容量的储能系统,可离网可并网,就成为一个自治的微电网,可以实现自发自用,既能解决偏远地区补能的需求,还能大大缓解数亿电动汽车给电网带来冲击。

除了充电服务商在尝试突破外,主机厂对无线充电技术的兴趣度同样很高。

目前,全球试点无线充电技术的车辆已经出现,国外的大众、宝马、沃尔沃、现代、本田、丰田、通用等都在研发无线充电技术。2014年,宝马与戴姆勒签署合作协议,共同研发电动汽车无线充电技术。2018年7月,宝马在美国首次推出具备无线充电功能的量产车型530Le插混汽车,充电功率为3.2kW,系统效率85%,可在3.5小时内完成9.4kWh电池的充电。

沃尔沃也在测试无线充电技术,瑞典本地销售的XC40电动版本,最大充电功率可达40kW,充电30分钟可行驶100公里。但很显然,这是一个相当理想的目标值;同样,现代汽车给旗下的高端品牌捷尼赛思GV60安装了WiTricity无线充电硬件,号称无线模式下可在6小时内充满;本田汽车则选择了磁场共振路线。

国内自主汽车品牌也有所“动作”。早在2018年,上汽荣威就推出了全球首台实现无线充电的纯电动车型;2020年, 一汽红旗推出了可无线充电的红旗E-HS9;2023年3月,上汽智己落地了旗下首个11kW大功率整车智能无线充电方案。吉利、长城、比亚迪等均涉足无线充电技术的研发和布局。

功率小、成本高,大功率无线充电应用尚早

针对无线充电技术,政策层面也暖风频吹。

2020年12月,国务院办公厅印发的《新能源汽车产业发展规划 ( 2021-2035 年 ) 》。2022 年,国家发改委等十部门推出《关于进一步提升电动汽车充电基础设施服务保障能力的实施意见》,明确提出要加强和推进无线充电等新型充电技术研发。2023年5月工信部工信部印发了《无线充电(电力传输)设备无线电管理暂行规定》,其中对于汽车无线充电的工作频率提出了明确要求。

相对于日常使用的有线充电桩,无线充电确实方便得多,没有线缆、充电枪和接口的束缚,也要安全许多。而且无线充电一旦普及,就不需要搭载那么大容量和体积的车载电池,电动汽车会更省电,更低碳。

即便如此,电动汽车无线充电技术进入大规模应用还为时尚早。

充电功率小,充电速度慢是一大阻碍。能链研究院认为,7kW、11kW是当前无线充电研发的主流,行业标准也围绕11kW的功率等级展开,22Kw及以上的进展比较缓慢。以电池能量80千瓦时计算,采用功率为11kW 的无线充电系统,充满电需要接近8小时,与动辄120kW的大功率充电桩比,相当于家用AC交流慢充桩的水平。除了炫酷外,无线充电技术如果不能在功率上得到极大提升,很难得到车主认可。

其次是成本高昂,在地面上安装无线充电设施的费用是充电桩的好几倍,11kW的无线充电桩价格在2万-3万元,铺设动态无线充电道路的投入更是高得吓人,每公里的造价高达100万美元,后期的维护费用也远比有线充电桩高太多。比如智己推出的11kW无线充电桩,需要车主另外购买安装,统一售价18999元,但同样的私人充电桩约2000元。

此外,无线充电的技术原理是通过电磁波来传送能量,用户自然会担心电磁辐射问题,虽然专家解释,无线充电的频率主要为低频,辐射范围有限,不会对人体健康产生危害,但被大众所接受则需要一个过程。

虽然无线充电技术应用还不够尽善尽美,但随着自动驾驶时代的到来,无感自动充电机器人、无线充电技术方案将成为标配。充电运营商、服务商也有所布局,国家电网、能链智电等推出自动充电机器人,未来智能化的充电方案与自动驾驶的适配性更好。

据预测,全球电动汽车无线充电市场规模将从2020年的1600万美元(1美元约合人民币7.29元)增至2027年的2.34亿美元,年复合增长率将达46.8%。这也是特斯拉提前布局无线充电技术的原因,但特斯拉能加速大功率无线充电、“边走边充”落地吗?可能短期也做不到。


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