車企巨頭大力推廣無線充電，動態(tài)無線充電是一個極具潛力的發(fā)展方向

而除了完善靜態(tài)充電技術和標準，持續(xù)推廣降低成本之外；動態(tài)無線充電也是一個極具潛力的方向。

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涌，擁有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等乘用車開始陸續(xù)支持無線充電功能。

那么這項技術是什么原理，發(fā)展現(xiàn)狀如何，未來何去何從？且聽這篇文章為大家簡要道來。

支持無線充電的蘋果與寶馬

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(fā)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(fā)展，也充滿了特斯拉的夢想與實踐。

特斯拉與沃登克里弗塔?

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(xiàn)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建成，并開始進行無線輸電實驗。這座傳奇之塔在之后與傳說中通古斯大爆炸的關系已然成謎，特斯拉也因為這座塔停止運作后陷入了財政危機。

無線輸電技術發(fā)展?

在這之后的100年里，無線輸電技術雖然陸陸續(xù)續(xù)出現(xiàn)在各式各樣的實驗研究里，但從未開始過真正的商業(yè)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，這更多是由于汽車的特性決定的：

功率需求：汽車無線充電功率等級較高，由于電動汽車電池大，充電時間要求盡量短，因此需要充電系統(tǒng)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由汽車離地間距決定的，根據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，盡可能輕；

效率：由于有線充電效率極高，因此無線充電就務必要達到至少85%的效率，才具有商業(yè)化的意義；

數據通訊：對于汽車來說，這套系統(tǒng)需要駕駛員遙控操作，此外該充電系統(tǒng)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(tài)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，汽車無線充電也終于再次回到了舞臺上，盡管只是主流舞臺的小節(jié)目，但也逐漸引起了大眾的關注。

二， 無線充電技術原理

那么，汽車無線充電技術是什么原理呢？它并不是什么天頂星科技，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等屬于無線信息傳輸，不屬于無線能量傳輸。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(fā)射線圈最大直徑，λ是電磁波波長）將這些技術區(qū)分為遠場區(qū)與近場區(qū)兩類。

無線輸電技術按功率與距離分類，圖中Resonant inductive coupling即是所謂磁耦合諧振無線充電，原圖：Wireless Power Transfer for Vehicular Applications: Overview and Challenges

遠場區(qū)技術更適用于長距離、低效率需求的電能傳輸；而近場區(qū)技術的近距離高效的特征，則讓它更適用于近距離無線輸電，而在近場區(qū)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(tǒng)的磁場耦合技術僅適用于近距離，而2007年MIT教授Marin Soljacic團隊的研究表明，在發(fā)射和接收端加入調諧網絡后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，并仍保持了40%的效率。這一研究重新點燃了無線輸能領域的研究熱情，后來的研發(fā)投入使得電動汽車無線輸電的需求得到滿足（距離15-50cm；效率大于85%；千瓦級大功率），使之商業(yè)化成為了可能。

MIT團隊實現(xiàn)的磁耦合諧振式無線充電，讓相距二米的燈泡持續(xù)發(fā)亮，是一項里程碑式的研究

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、諧振網絡構建等方面的工作。而如果將汽車無線充電分為兩類，可以分為靜態(tài)無線充電與動態(tài)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。

豐田無線充電示意圖，屬于靜態(tài)無線充電

英國無線充電公路概念圖，屬于動態(tài)無線充電

三， 實地案例與發(fā)展難題

我恰好參加過相關無線充電示范運行的測試研究。并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(tǒng)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范的無線充電案例。

無線充電客車充電位，實地拍攝

在這條運營線路中，有兩個充電位布置在公交始發(fā)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，當客車停放入位后，對準充電位，則可以由司機開啟無線充電。

總體來看，無線充電相對于有線充電的優(yōu)勢是得到發(fā)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(yè)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， 由于對充電線圈對正要求還較為嚴苛，停入停車位后，司機需要反復進行車輛位置的調整以確保對齊，這對于大公交車來說非?？简炈緳C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，司機開啟充電后，充電系統(tǒng)需要約一分鐘左右的時間才能夠全負荷運行，這意味著在公交站臺設置充電位，隨時停車隨時充電的設想，以目前的技術水平還難以實現(xiàn)。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(yōu)化空間。

那么阻礙無線充電在汽車領域推廣的問題有哪些呢？

第一點是技術本身優(yōu)點不明顯。

目前來看，如果停留在靜態(tài)無線充電，和有線充電比較來看，其主要的優(yōu)勢就是方便，無線輸電效率盡管已經達到較高水平，但卻仍然低于有線充電。

靜態(tài)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，一旦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，處于兩個線圈中，大功率輸電也會給動物帶來很大的安全威脅。

而動態(tài)無線充電，雖然沒有上述的小問題，優(yōu)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(tǒng)一標準。

盡管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。目前國內無線充電系統(tǒng)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。

盡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，而輻射水平的評價，也只能參考各研究組織公布的限值。但是對于公眾來說，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。

目前某無線充電系統(tǒng)EMF水平滿足ICNIRP(2010), 但很可能超出GB 8702限值

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。

結語：

最后，關于無線充電未來的發(fā)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(tài)充電技術和標準，持續(xù)推廣降低成本之外；動態(tài)無線充電也是一個極具潛力的方向。限于成本，動態(tài)無線充電即使是示范運營還不多，目前來看，固定線路的運行，如快速公交（BRT）、園區(qū)無人物流車、廠內AGV這些場景，或許將是動態(tài)無線充電的突破所在。