牛祿青

成熟發(fā)展的無線充電技術，將會是電動汽車未來占領市場的重要“法寶”

無線充電對手機、電腦、相機等電子產(chǎn)品而言，只是個錦上添花的新功能，但對電動汽車產(chǎn)業(yè)的影響將是革命性的，有可能是啟動整個電動汽車市場的關鍵。

電池續(xù)航能力一直是電動汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的羈絆，在電池技術短時間無法突破時，改進充電模式就成為另一個突破方向。如果能夠全面普及無線充電技術，就能夠極大地提高電動汽車充電的便捷性，不管是充電時間、充電體驗，還是續(xù)航能力方面，都將大大增加人們對于電動汽車的接受度。具有充電樁充電和換電模式不可比擬的優(yōu)勢?？梢哉f，成熟發(fā)展的無線充電技術，將會是電動汽車未來占領市場的重要“法寶”。

從目前情況看，無線充電技術也有固定式充電和移動式充電之分，二者之間存在較大區(qū)別。無線充電墊的功能基本類似于普通充電樁，是在固定位置充電。與普通充電樁相比，電動汽車無線充電沒有外露的連接器，它省去了插拔充電接口的環(huán)節(jié)，比較方便，也避免了充電接口老化所導致的漏電、跑電風險。但是，作為一種新生事物，它還需要經(jīng)歷一個消費者認知并接受的過程。

而無線充電技術最讓人動心的，無疑是可以在汽車行駛過程中充電，即“無線充電、即停即充、邊走邊充”，如果這個美妙的夢想成為現(xiàn)實，并能夠大范圍推廣，電動汽車續(xù)駛里程問題將不復存在。到那時，傳統(tǒng)燃油汽車就會像內(nèi)燃機火車一樣基本退出歷史舞臺。

“無線充電將是電動汽車領域的下一個關鍵轉變，提供一種更加自主、安全、高效和方便的充電體驗，同時也是電氣化公路的一個敲門磚”，美國能源部橡樹嶺國家實驗室（ORNL）項目經(jīng)理David Smith這樣說。

無線充電的類型、原理和優(yōu)勢

從具體的技術原理及解決方案來說，目前無線充電技術主要有電磁感應式、磁共振式、無線電波式、電場耦合式四種基本方式。這幾種技術分別適用于近程、中短程與遠程電力傳送。這幾種方式的比較如下圖所示。

1、電磁感應式。當前最成熟、最普遍的無線充電技術是電磁感應式。其基本原理是利用電磁感應原理，類似于變壓器，在發(fā)送端和接收端各有一個線圈，初級線圈上通一定頻率的交流電，由于電磁感應在次級線圈中產(chǎn)生一定的電流，從而將能量從傳輸端轉移到接收端。

2、磁共振式。磁共振式也稱為近場諧振式，由能量發(fā)送裝置和能量接收裝置組成，當兩個裝置調(diào)整到相同頻率，或者說在一個特定的頻率上共振時，它們就可以交換彼此的能量，其原理與聲音的共振原理相同，排列在磁場中的相同振動頻率的線圈，可從一個向另一個供電。

磁共振式是麻省理工目前在開發(fā)的一類充電技術，共振傳輸?shù)木嚯x比普通感應式更遠一些。技術難點是小型化和高效率化，被認為是將來最有希望廣泛應用于電動汽車無線充電的一種方式。

3、無線電波式。無線電波式，基本原理類似于早期使用的礦石收音機，主要有微波發(fā)射裝置和微波接收裝置組成。典型的是20世紀60年代布朗（William C. Brown）的微波輸電系統(tǒng)。

整個傳輸系統(tǒng)包括微波源、發(fā)射天線、接收天線3部分。微波源內(nèi)有磁控管，能控制源在2.45GHz頻段輸出一定的功率；發(fā)射天線是64個縫隙的天線陣；接收天線擁有25%的收集和轉換效率。

無線電波式此前更多出現(xiàn)在科幻電影或者小說里面，實際上它也是無線電力傳輸?shù)囊粋€很好的方式，只不過受到發(fā)送功率等方面的限制，并未大規(guī)模應用。無線電波傳輸?shù)淖畲蠛锰幘褪莻鬏斁嚯x遠，甚至可以實現(xiàn)航天器與地面之間的能量傳輸，同時還可以實現(xiàn)定向傳輸（發(fā)射天線有方向性），未來前景值得期待。

4、電場耦合式。電場耦合式以日本村田制作所為代表。這類無線充電技術，發(fā)射器與接收器分別安裝兩個（或兩組）獨立的電容極板，當發(fā)射器與接收器靠近時，兩組電容極板形成了兩個電容。電容中通以高頻、高壓交變電流，便可實現(xiàn)電能從發(fā)射側到接收側的傳輸。

電場耦合和無線電波這兩種方式的傳輸功率較小，目前還沒有在電動汽車上應用。電動汽車用無線充電技術主要采用電磁感應式和磁場共振式。

電動汽車無線供電技術的優(yōu)勢在于：充電車道可在固定行駛的公交車路線、高速路、景區(qū)道路上推廣使用。無線供電車道類似于加油站，當電動汽車電量不足時，就可以駛入鋪設有無線供電系統(tǒng)的車道上，邊走邊充電，而且全過程不需要駕駛者下車操作。同時，駐停式電動汽車無線充電裝置也可以建設在車庫、停車場、公交車停靠站等，電動汽車?？吭谡揪涂梢灾苯映潆?，非常方便。此外，還可以通過系統(tǒng)隨時遠程調(diào)節(jié)充電時長、實時監(jiān)控車輛狀態(tài)，充滿電后自動斷電。

只要汽車不離開車道，即使沒有車載電池，車道也可以為汽車供電行駛。車道不存在裸露的插頭和接口，沒有冗長的電纜，雨雪和潮濕等惡劣天氣也可以正常使用。對于大家最關心的安全問題，南方電網(wǎng)廣西電網(wǎng)公司電力科學研究院女博士祝文姬表示，電能傳輸過程中沒有導線的直接接觸，不存在電力安全隱患；至于電磁輻射，在系統(tǒng)設計之初就進行了考慮，經(jīng)過第三方檢測機構測試后不但滿足國際輻射標準，還比標準低一半，不會危害駕駛人身體健康。

國內(nèi)外無線充電技術研發(fā)進展

無線充電的歷史可追溯到1901年。尼古拉·特斯拉在紐約長島建立了無線充電塔——沃登克里夫塔進行無線輸電試驗，但項目以失敗而告終。

一個世紀之后，無線充電的研究迎來了新的源動力，應用范圍也非常廣泛。小到電動牙刷、遙控器、智能手機，大到電動汽車、石油鉆塔。行業(yè)巨頭特斯拉、奧迪、寶馬、沃爾沃、奔馳、豐田、高通、西門子、日產(chǎn)、英特爾、三星等，都紛紛加入到了研發(fā)行列。5月31日，美國汽車工程師協(xié)會（SAEInternational）正式發(fā)布了關于新能源汽車無線充電技術的J2954規(guī)范，并得到了通用、福特、豐田等近30家主機廠及零部件企業(yè)的支持。

4月初，美國能源署網(wǎng)站上公布了一項新型無線充電技術，可實現(xiàn)20KW的充電功率，是目前充電樁的3倍左右，有望替代傳統(tǒng)充電樁成為電動汽車的基礎充電設施，而車主需要做的只是將汽車停在上面。

美國能源部橡樹嶺國家實驗室（ORNL）日前在田納西州與豐田、思科系統(tǒng)、Evatran及克萊姆森大學國際汽車研究中心合作展示了新型無線汽車充電技術，測試車型為豐田RAV4（10KW小時電池），充滿80%電量僅為18分鐘，100%電量則為30分鐘，令人驚嘆。ORNL表示，目前已經(jīng)開始50KW系統(tǒng)的研發(fā)，如果成功，一般電動汽車的快速充電操作僅需7分鐘。

在國內(nèi)，中興通訊、比亞迪、科陸電子等企業(yè)和高校近年來也在研究無線充電技術。中興通訊于2013年啟動電動汽車無線充電技術開發(fā)，2014年9月推出了具體的產(chǎn)品和方案。充電過程簡單，可靠性高，維護成本低；充電設施埋于地下，對建設場地要求低，而且不懼水淹、積雪、泥濘、砂石和粉塵等。

其合作伙伴主要為宇通、東風、蜀都等客車企業(yè)，產(chǎn)品主要應用于公交車，目前已在成都、襄陽等城市實現(xiàn)商用。例如在襄陽啟動了全球首條無線充電公交示范線，2015年1月，成都1058路微循環(huán)無線充電公交正式投運。

6月 17日，中興通訊提供技術支持的鄭州公交大功率無線充電商業(yè)運營正式啟動。中興無線充電樁主要是為純電能源車輛進行無線充電，一輛車充滿電量需要5～6個小時，一次充電車輛可以運營200多公里。據(jù)介紹，截至2015年年底，鄭州公交擁有新能源車輛4017輛，占公交車輛總數(shù)的64.57%，新能源公交車輛比例全國領先。下一步，鄭州市將全面推廣無線充電技術在公交上的推廣應用。

比亞迪早在2005年12月就申請了非接觸感應式充電器專利，在其2014年7月賣給猶他大學的一輛純電動客車上，就裝配有無線充電墊。

今年1月份，廣西電網(wǎng)公司宣布，其“面向智能電網(wǎng)的無線電能傳輸關鍵技術研究”項目已通過驗收。南方電網(wǎng)廣西電力科學研究院年輕女博士祝文姬和她的科研團隊成功拿下了電動汽車無線供電技術，開發(fā)了無線電能傳輸系統(tǒng)工程設計平臺，研制了駐停式電動車無線充電裝置，成功建成了國內(nèi)第一條電動汽車無線供電小型試驗車道，成為電動汽車無線供電劃時代的革新。

無線充電技術市場推廣路漫漫

盡管眾多車企與電子巨頭都對無線充電充滿熱情，但外界對于該項技術的可行性仍有諸多質(zhì)疑。

“首先，外界消費者對于無線充電技術并不是非常信任?！?交通行業(yè)研究員張薇表示，由于無線充電技術不管是采用電磁感應式還是磁場共振式，都有發(fā)射能量和接受能量的過程，因此，充電過程的安全性飽受質(zhì)疑，人們都在擔憂是否會造成輻射。

盡管麻省理工學院和沃爾沃的研究團隊都表明電磁共振使用的磁場與地球磁場類似，對于人類的健康并無影響，但是取得消費者的信任依然是個漫長的過程。

與此同時，標準化也是阻礙無線充電技術發(fā)展的障礙之一。電磁感應和磁場共振兩種方式孰優(yōu)孰劣還未產(chǎn)生定論，單就其中一種方式而言，不同的企業(yè)和研究組織也使用了不同的標準。

最直白的解釋就是，無線充電技術中所使用的線圈形狀就是個問題。目前業(yè)內(nèi)使用的主要有圓形和方形兩種，然而形狀不同，磁路不同，線圈之間就無法高效地傳遞能量。圓形和方形線圈也各有優(yōu)劣，廠商的選擇也不盡相同?；ゲ患嫒莸姆绞胶驮O備，讓沒有統(tǒng)一標準的無線充電技術，難言發(fā)展和普及。

但是，電動汽車的無線充電仍然處于一個剛剛發(fā)展的階段，關于技術的標準化工作正在進行。如果通過一個市場競爭階段，最后會體現(xiàn)出整合的趨勢。而且，無線充電技術普及后，成本問題也是關鍵。

“眾所周知，這還是一項新技術，處于研發(fā)測試的階段，一旦被普及，其成本問題就會被放在臺面上。如果成本昂貴的話，這些費用是否會由消費者來支付？在消費者的眼里，要付多少錢，如何付錢，才是他們關心的。”張薇說。

此外，無線充電技術還不夠成熟，有待進一步完善。比如充電效率不高，峰值效率為90%左右，而傳統(tǒng)充電的效率在95%左右；傳遞功率不夠大，以目前的技術大多數(shù)傳遞功率一般在10kw以下。

不過，任何一項新技術都有其發(fā)展過程，也不可能十全十美，關鍵看能否解決電動汽車的“痛點”和性價比問題。有人說，無線充電技術的出現(xiàn)，必然會引爆電動汽車市場——電動汽車已經(jīng)推出將近十年，始終不溫不火，核心原因就在于電池成本高、充電難。如果無線充電技術被推廣，不僅可以解決汽車充電問題，還可大大推動清潔能源進程。

“無線充電技術確實擊中了電動汽車充電的一些痛點，但它要走出大客車市場，進入民用轎車領域，取決于電動汽車整體行業(yè)發(fā)展狀況?！币晃浑妱悠囆袠I(yè)人士指出。

經(jīng)合組織（OECD）和國際能源機構（IEA）6月12日發(fā)布的“國際電動汽車展望2016”報告顯示，2015年，全球電動汽車銷售量達55萬輛，較2014年的32.4萬輛增加70%。其中，純電動汽車銷量為32.8萬輛、插電式混合動力車（PHEV）為22.2萬輛。值得關注的是，中國（21萬輛）首次超過美國（11萬輛）成為全球最大的電動車市場。截至去年底，全球電動汽車累計銷量達到126萬輛。

與電動汽車的爆發(fā)相比，充電基礎設施建設遠遠落后。截至2015年底，國內(nèi)已建成的充換電站3600座，公共充電樁4.9萬個，車樁比大約為9：1，按照新能源汽車與充電樁1：1的標準配來看，充電基礎設施建設缺口巨大。

在張薇看來，這是一個很讓人糾結的問題?！拔覀兌记宄瑹o線充電技術的廣泛應用首先是建立在電動汽車普及的基礎上。如今，電動汽車明顯不溫不火，導致無線充電市場未來潛能雖然巨大，但是引爆電動汽車市場的不應該是無線充電技術，而是社會價值觀的認知程度的提升?！?/p>

在張薇看來，電動汽車的成本、使用的方便程度、相應的補貼、充電基礎設施以及用戶體驗同樣起著至關重要的作用。

不過，還是有專家樂觀地表示，中國電動汽車市場在未來一兩年內(nèi)會有爆發(fā)式增長，此時部署無線充電網(wǎng)絡正當其時。無線充電如果進入私家電動車市場，就可反向帶動電動車市場的快速增長。

無線充電道路彌補了靜態(tài)無線充電停車充電的弊端。當車主在行駛時，享受道路供給的電量，而在停車時，又可以使用固定的充電板進行補電，二者相輔相成，可謂實現(xiàn)了“自由充電”。

雖然無線充電道路看起來是一張完美的藍圖，但在成本上，卻顯得有些難以實現(xiàn)。據(jù)國外專家計算，無線充電道路的建設報價，大約每英里（1.6公里）100萬英鎊，和輕軌價格相當，但運營成本卻遠高于輕軌，如果大范圍鋪設，其實用性還不如充電樁或高架電纜。卡迪夫大學商學院教授保羅·尼烏文赫伊斯也不贊成政府花費這么多資金用來建設無線充電道路?！半S著未來電池技術的發(fā)展，這種道路也許就不需要了?！彼f。此外，無線充電道路的普及還要面對很多問題，公路的建設、設計，電動汽車的技術支持等，就像無人駕駛一樣，這是一個浩大的工程，短期內(nèi)還難以實現(xiàn)。

作為一個新技術，至少在短期內(nèi)，無線充電市場要實現(xiàn)真正大規(guī)模商業(yè)化挑戰(zhàn)不少。一位車聯(lián)網(wǎng)研究者曾經(jīng)指出，如果整個城市的路面下方都埋設無線充電裝置，就需要整個城市乃至國家層面的城市基礎設施戰(zhàn)略規(guī)劃和改造，工程浩大，周期漫長。

目前較為可行的做法是，在規(guī)劃建設城市新區(qū)或新城的交通主干道上建設無線充電車道，為將來推廣無線充電汽車打好基礎。比如正在高標準規(guī)劃設計建設的北京城市副中心可以在這方面先行先試，建設若干條無線充電車道，既節(jié)能環(huán)保，又可以提高空間利用率，還有利于便捷出行，緩解交通擁堵。