無(wú)線充電 拯救電動(dòng)汽車？

牛祿青

成熟發(fā)展的無(wú)線充電技術(shù)，將會(huì)是電動(dòng)汽車未來(lái)占領(lǐng)市場(chǎng)的重要“法寶”

無(wú)線充電對(duì)手機(jī)、電腦、相機(jī)等電子產(chǎn)品而言，只是個(gè)錦上添花的新功能，但對(duì)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的影響將是革命性的，有可能是啟動(dòng)整個(gè)電動(dòng)汽車市場(chǎng)的關(guān)鍵。

電池續(xù)航能力一直是電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的羈絆，在電池技術(shù)短時(shí)間無(wú)法突破時(shí)，改進(jìn)充電模式就成為另一個(gè)突破方向。如果能夠全面普及無(wú)線充電技術(shù)，就能夠極大地提高電動(dòng)汽車充電的便捷性，不管是充電時(shí)間、充電體驗(yàn)，還是續(xù)航能力方面，都將大大增加人們對(duì)于電動(dòng)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(shì)?？梢哉f(shuō)，成熟發(fā)展的無(wú)線充電技術(shù)，將會(huì)是電動(dòng)汽車未來(lái)占領(lǐng)市場(chǎng)的重要“法寶”。

從目前情況看，無(wú)線充電技術(shù)也有固定式充電和移動(dòng)式充電之分，二者之間存在較大區(qū)別。無(wú)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(dòng)汽車無(wú)線充電沒(méi)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(dǎo)致的漏電、跑電風(fēng)險(xiǎn)。但是，作為一種新生事物，它還需要經(jīng)歷一個(gè)消費(fèi)者認(rèn)知并接受的過(guò)程。

而無(wú)線充電技術(shù)最讓人動(dòng)心的，無(wú)疑是可以在汽車行駛過(guò)程中充電，即“無(wú)線充電、即停即充、邊走邊充”，如果這個(gè)美妙的夢(mèng)想成為現(xiàn)實(shí)，并能夠大范圍推廣，電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程問(wèn)題將不復(fù)存在。到那時(shí)，傳統(tǒng)燃油汽車就會(huì)像內(nèi)燃機(jī)火車一樣基本退出歷史舞臺(tái)。

“無(wú)線充電將是電動(dòng)汽車領(lǐng)域的下一個(gè)關(guān)鍵轉(zhuǎn)變，提供一種更加自主、安全、高效和方便的充電體驗(yàn)，同時(shí)也是電氣化公路的一個(gè)敲門磚”，美國(guó)能源部橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）項(xiàng)目經(jīng)理David Smith這樣說(shuō)。

無(wú)線充電的類型、原理和優(yōu)勢(shì)

從具體的技術(shù)原理及解決方案來(lái)說(shuō)，目前無(wú)線充電技術(shù)主要有電磁感應(yīng)式、磁共振式、無(wú)線電波式、電場(chǎng)耦合式四種基本方式。這幾種技術(shù)分別適用于近程、中短程與遠(yuǎn)程電力傳送。這幾種方式的比較如下圖所示。

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

2、磁共振式。磁共振式也稱為近場(chǎng)諧振式，由能量發(fā)送裝置和能量接收裝置組成，當(dāng)兩個(gè)裝置調(diào)整到相同頻率，或者說(shuō)在一個(gè)特定的頻率上共振時(shí)，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(chǎng)中的相同振動(dòng)頻率的線圈，可從一個(gè)向另一個(gè)供電。

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

3、無(wú)線電波式。無(wú)線電波式，基本原理類似于早期使用的礦石收音機(jī)，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(jì)60年代布朗（William C. Brown）的微波輸電系統(tǒng)。

整個(gè)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(gè)縫隙的天線陣；接收天線擁有25%的收集和轉(zhuǎn)換效率。

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

4、電場(chǎng)耦合式。電場(chǎng)耦合式以日本村田制作所為代表。這類無(wú)線充電技術(shù)，發(fā)射器與接收器分別安裝兩個(gè)（或兩組）獨(dú)立的電容極板，當(dāng)發(fā)射器與接收器靠近時(shí)，兩組電容極板形成了兩個(gè)電容。電容中通以高頻、高壓交變電流，便可實(shí)現(xiàn)電能從發(fā)射側(cè)到接收側(cè)的傳輸。

電場(chǎng)耦合和無(wú)線電波這兩種方式的傳輸功率較小，目前還沒(méi)有在電動(dòng)汽車上應(yīng)用。電動(dòng)汽車用無(wú)線充電技術(shù)主要采用電磁感應(yīng)式和磁場(chǎng)共振式。

電動(dòng)汽車無(wú)線供電技術(shù)的優(yōu)勢(shì)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(wú)線供電車道類似于加油站，當(dāng)電動(dòng)汽車電量不足時(shí)，就可以駛?cè)脘佋O(shè)有無(wú)線供電系統(tǒng)的車道上，邊走邊充電，而且全過(guò)程不需要駕駛者下車操作。同時(shí)，駐停式電動(dòng)汽車無(wú)線充電裝置也可以建設(shè)在車庫(kù)、停車場(chǎng)、公交車?？空镜?，電動(dòng)汽車停靠在站就可以直接充電，非常方便。此外，還可以通過(guò)系統(tǒng)隨時(shí)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)充電時(shí)長(zhǎng)、實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛狀態(tài)，充滿電后自動(dòng)斷電。

只要汽車不離開車道，即使沒(méi)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(méi)有冗長(zhǎng)的電纜，雨雪和潮濕等惡劣天氣也可以正常使用。對(duì)于大家最關(guān)心的安全問(wèn)題，南方電網(wǎng)廣西電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院女博士祝文姬表示，電能傳輸過(guò)程中沒(méi)有導(dǎo)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(shè)計(jì)之初就進(jìn)行了考慮，經(jīng)過(guò)第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)測(cè)試后不但滿足國(guó)際輻射標(biāo)準(zhǔn)，還比標(biāo)準(zhǔn)低一半，不會(huì)危害駕駛?cè)松眢w健康。

國(guó)內(nèi)外無(wú)線充電技術(shù)研發(fā)進(jìn)展

無(wú)線充電的歷史可追溯到1901年。尼古拉·特斯拉在紐約長(zhǎng)島建立了無(wú)線充電塔——沃登克里夫塔進(jìn)行無(wú)線輸電試驗(yàn)，但項(xiàng)目以失敗而告終。

一個(gè)世紀(jì)之后，無(wú)線充電的研究迎來(lái)了新的源動(dòng)力，應(yīng)用范圍也非常廣泛。小到電動(dòng)牙刷、遙控器、智能手機(jī)，大到電動(dòng)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(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)（SAEInternational）正式發(fā)布了關(guān)于新能源汽車無(wú)線充電技術(shù)的J2954規(guī)范，并得到了通用、福特、豐田等近30家主機(jī)廠及零部件企業(yè)的支持。

4月初，美國(guó)能源署網(wǎng)站上公布了一項(xiàng)新型無(wú)線充電技術(shù)，可實(shí)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(dòng)汽車的基礎(chǔ)充電設(shè)施，而車主需要做的只是將汽車停在上面。

美國(guó)能源部橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(xué)國(guó)際汽車研究中心合作展示了新型無(wú)線汽車充電技術(shù)，測(cè)試車型為豐田RAV4（10KW小時(shí)電池），充滿80%電量?jī)H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(dòng)汽車的快速充電操作僅需7分鐘。

在國(guó)內(nèi)，中興通訊、比亞迪、科陸電子等企業(yè)和高校近年來(lái)也在研究無(wú)線充電技術(shù)。中興通訊于2013年啟動(dòng)電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)開發(fā)，2014年9月推出了具體的產(chǎn)品和方案。充電過(guò)程簡(jiǎn)單，可靠性高，維護(hù)成本低；充電設(shè)施埋于地下，對(duì)建設(shè)場(chǎng)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(fēng)、蜀都等客車企業(yè)，產(chǎn)品主要應(yīng)用于公交車，目前已在成都、襄陽(yáng)等城市實(shí)現(xiàn)商用。例如在襄陽(yáng)啟動(dòng)了全球首條無(wú)線充電公交示范線，2015年1月，成都1058路微循環(huán)無(wú)線充電公交正式投運(yùn)。

6月 17日，中興通訊提供技術(shù)支持的鄭州公交大功率無(wú)線充電商業(yè)運(yùn)營(yíng)正式啟動(dòng)。中興無(wú)線充電樁主要是為純電能源車輛進(jìn)行無(wú)線充電，一輛車充滿電量需要5～6個(gè)小時(shí)，一次充電車輛可以運(yùn)營(yíng)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(guó)領(lǐng)先。下一步，鄭州市將全面推廣無(wú)線充電技術(shù)在公交上的推廣應(yīng)用。

比亞迪早在2005年12月就申請(qǐng)了非接觸感應(yīng)式充電器專利，在其2014年7月賣給猶他大學(xué)的一輛純電動(dòng)客車上，就裝配有無(wú)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(wú)線電能傳輸關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目已通過(guò)驗(yàn)收。南方電網(wǎng)廣西電力科學(xué)研究院年輕女博士祝文姬和她的科研團(tuán)隊(duì)成功拿下了電動(dòng)汽車無(wú)線供電技術(shù)，開發(fā)了無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)平臺(tái)，研制了駐停式電動(dòng)車無(wú)線充電裝置，成功建成了國(guó)內(nèi)第一條電動(dòng)汽車無(wú)線供電小型試驗(yàn)車道，成為電動(dòng)汽車無(wú)線供電劃時(shí)代的革新。

無(wú)線充電技術(shù)市場(chǎng)推廣路漫漫

盡管眾多車企與電子巨頭都對(duì)無(wú)線充電充滿熱情，但外界對(duì)于該項(xiàng)技術(shù)的可行性仍有諸多質(zhì)疑。

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

盡管麻省理工學(xué)院和沃爾沃的研究團(tuán)隊(duì)都表明電磁共振使用的磁場(chǎng)與地球磁場(chǎng)類似，對(duì)于人類的健康并無(wú)影響，但是取得消費(fèi)者的信任依然是個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。

與此同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化也是阻礙無(wú)線充電技術(shù)發(fā)展的障礙之一。電磁感應(yīng)和磁場(chǎng)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(biāo)準(zhǔn)。

最直白的解釋就是，無(wú)線充電技術(shù)中所使用的線圈形狀就是個(gè)問(wèn)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(wú)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(shè)備，讓沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線充電技術(shù)，難言發(fā)展和普及。

但是，電動(dòng)汽車的無(wú)線充電仍然處于一個(gè)剛剛發(fā)展的階段，關(guān)于技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作正在進(jìn)行。如果通過(guò)一個(gè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)階段，最后會(huì)體現(xiàn)出整合的趨勢(shì)。而且，無(wú)線充電技術(shù)普及后，成本問(wèn)題也是關(guān)鍵。

“眾所周知，這還是一項(xiàng)新技術(shù)，處于研發(fā)測(cè)試的階段，一旦被普及，其成本問(wèn)題就會(huì)被放在臺(tái)面上。如果成本昂貴的話，這些費(fèi)用是否會(huì)由消費(fèi)者來(lái)支付？在消費(fèi)者的眼里，要付多少錢，如何付錢，才是他們關(guān)心的?！睆堔闭f(shuō)。

此外，無(wú)線充電技術(shù)還不夠成熟，有待進(jìn)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(shù)大多數(shù)傳遞功率一般在10kw以下。

不過(guò)，任何一項(xiàng)新技術(shù)都有其發(fā)展過(guò)程，也不可能十全十美，關(guān)鍵看能否解決電動(dòng)汽車的“痛點(diǎn)”和性價(jià)比問(wèn)題。有人說(shuō)，無(wú)線充電技術(shù)的出現(xiàn)，必然會(huì)引爆電動(dòng)汽車市場(chǎng)——電動(dòng)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(wú)線充電技術(shù)被推廣，不僅可以解決汽車充電問(wèn)題，還可大大推動(dòng)清潔能源進(jìn)程。

“無(wú)線充電技術(shù)確實(shí)擊中了電動(dòng)汽車充電的一些痛點(diǎn)，但它要走出大客車市場(chǎng)，進(jìn)入民用轎車領(lǐng)域，取決于電動(dòng)汽車整體行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r?！币晃浑妱?dòng)汽車行業(yè)人士指出。

經(jīng)合組織（OECD）和國(guó)際能源機(jī)構(gòu)（IEA）6月12日發(fā)布的“國(guó)際電動(dòng)汽車展望2016”報(bào)告顯示，2015年，全球電動(dòng)汽車銷售量達(dá)55萬(wàn)輛，較2014年的32.4萬(wàn)輛增加70%。其中，純電動(dòng)汽車銷量為32.8萬(wàn)輛、插電式混合動(dòng)力車（PHEV）為22.2萬(wàn)輛。值得關(guān)注的是，中國(guó)（21萬(wàn)輛）首次超過(guò)美國(guó)（11萬(wàn)輛）成為全球最大的電動(dòng)車市場(chǎng)。截至去年底，全球電動(dòng)汽車?yán)塾?jì)銷量達(dá)到126萬(wàn)輛。

與電動(dòng)汽車的爆發(fā)相比，充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。截至2015年底，國(guó)內(nèi)已建成的充換電站3600座，公共充電樁4.9萬(wàn)個(gè)，車樁比大約為9：1，按照新能源汽車與充電樁1：1的標(biāo)準(zhǔn)配來(lái)看，充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)缺口巨大。

在張薇看來(lái)，這是一個(gè)很讓人糾結(jié)的問(wèn)題?！拔覀兌记宄?，無(wú)線充電技術(shù)的廣泛應(yīng)用首先是建立在電動(dòng)汽車普及的基礎(chǔ)上。如今，電動(dòng)汽車明顯不溫不火，導(dǎo)致無(wú)線充電市場(chǎng)未來(lái)潛能雖然巨大，但是引爆電動(dòng)汽車市場(chǎng)的不應(yīng)該是無(wú)線充電技術(shù)，而是社會(huì)價(jià)值觀的認(rèn)知程度的提升?！?/p>

在張薇看來(lái)，電動(dòng)汽車的成本、使用的方便程度、相應(yīng)的補(bǔ)貼、充電基礎(chǔ)設(shè)施以及用戶體驗(yàn)同樣起著至關(guān)重要的作用。

不過(guò)，還是有專家樂(lè)觀地表示，中國(guó)電動(dòng)汽車市場(chǎng)在未來(lái)一兩年內(nèi)會(huì)有爆發(fā)式增長(zhǎng)，此時(shí)部署無(wú)線充電網(wǎng)絡(luò)正當(dāng)其時(shí)。無(wú)線充電如果進(jìn)入私家電動(dòng)車市場(chǎng)，就可反向帶動(dòng)電動(dòng)車市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)。

無(wú)線充電道路彌補(bǔ)了靜態(tài)無(wú)線充電停車充電的弊端。當(dāng)車主在行駛時(shí)，享受道路供給的電量，而在停車時(shí)，又可以使用固定的充電板進(jìn)行補(bǔ)電，二者相輔相成，可謂實(shí)現(xiàn)了“自由充電”。

雖然無(wú)線充電道路看起來(lái)是一張完美的藍(lán)圖，但在成本上，卻顯得有些難以實(shí)現(xiàn)。據(jù)國(guó)外專家計(jì)算，無(wú)線充電道路的建設(shè)報(bào)價(jià)，大約每英里（1.6公里）100萬(wàn)英鎊，和輕軌價(jià)格相當(dāng)，但運(yùn)營(yíng)成本卻遠(yuǎn)高于輕軌，如果大范圍鋪設(shè)，其實(shí)用性還不如充電樁或高架電纜?？ǖ戏虼髮W(xué)商學(xué)院教授保羅·尼烏文赫伊斯也不贊成政府花費(fèi)這么多資金用來(lái)建設(shè)無(wú)線充電道路?！半S著未來(lái)電池技術(shù)的發(fā)展，這種道路也許就不需要了?！彼f(shuō)。此外，無(wú)線充電道路的普及還要面對(duì)很多問(wèn)題，公路的建設(shè)、設(shè)計(jì)，電動(dòng)汽車的技術(shù)支持等，就像無(wú)人駕駛一樣，這是一個(gè)浩大的工程，短期內(nèi)還難以實(shí)現(xiàn)。

作為一個(gè)新技術(shù)，至少在短期內(nèi)，無(wú)線充電市場(chǎng)要實(shí)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(gè)城市的路面下方都埋設(shè)無(wú)線充電裝置，就需要整個(gè)城市乃至國(guó)家層面的城市基礎(chǔ)設(shè)施戰(zhàn)略規(guī)劃和改造，工程浩大，周期漫長(zhǎng)。

目前較為可行的做法是，在規(guī)劃建設(shè)城市新區(qū)或新城的交通主干道上建設(shè)無(wú)線充電車道，為將來(lái)推廣無(wú)線充電汽車打好基礎(chǔ)。比如正在高標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃設(shè)計(jì)建設(shè)的北京城市副中心可以在這方面先行先試，建設(shè)若干條無(wú)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。