電動汽車的成功與否與充電基礎設施能否快速地、大規模地建設有著密切的關聯。利用電纜充電是大多數電動汽車生產廠商所采用的充電技術,而部分廠商一直在學習其他領域中的解決方案,例如目前在智能手機領域中的新趨勢——無線充電,準確地說是“感應充電技術”,該項技術得益于近幾年來無線充電技術的迅速發展。如圖1所示,現在,無線充電技術已經可以做到在幾百毫米的距離內實現大功率的電能傳輸,同時不影響充電效率。
圖1 再過不久就可以這樣為電動車充電了——省略了充電電纜,利用磁場充電
通信技術領域帶來的啟示
Qualcomm公司是專門從事無線充電技術開發的企業。這家國際知名的芯片生產廠商把感應充電技術移植到了電動汽車充電領域中,開發出了被他們稱之為“Halo”的感應式充電系統,為汽車工業應用其他領域的成熟經驗和先進技術提供了參考。“Qualcomm公司首先在通信技術特別是移動通信領域中開發了這一方案。幾年前,我們開始了大功率無線充電的嘗試和驗證。這不僅使我們成功實現了通信技術領域中3~5W功率范圍內的無線充電,而且也實現了功率達到3kW的無線充電。磁共振技術被用于實現從充電發射器到充電接收器的非接觸式充電。”Halo項目的領導人Grzegorz Ombach博士說道。
Halo系統利用磁共振技術,由充電基礎單元向汽車充電系統的充電接收單元耦合電力。電力經磁偶合器傳送到汽車的充電板上,然后把充電板上的電力儲存到汽車蓄電池中。
瑞士的Brusa電氣技術股份公司也提供一種感應充電系統(見圖2)。在這套被他們稱為“ICS(感應式充電系統)”的解決方案中,所有的模塊和功能都集成在車輛底部的感應線圈罩內了,因此整個系統就只有兩大部分了。要實現這項技術,首先要改善車輛的電磁兼容性,因為其省去了暗線箱到初級繞組之間幾米長的電纜;同時,車輛的生產制造和車上設備調試的時間都明顯縮短,汽車生產廠商只需把一個完整的次級單元安裝在車內就可以了,這使得這套系統能被更多的汽車生產廠商所認可。
圖2 Brusa公司的無線充電系統有兩塊板,一塊在汽車上,另一塊布置在地面以下
電纜充電領域提供了技術經驗
與Qualcomm公司不一樣,Brusa公司原來就是一家從事傳導技術的企業,其主要業務是利用電纜進行有線充電。正如Brusa公司負責產品研發的領導人Philipp Matt先生所說:“電纜有線充電技術領域中的經驗并不都是正面的。”因此,這也迫使他們另辟蹊徑,努力排除電動汽車無線充電技術中的障礙。“在剛開始時,無線充電技術并不是我們的目標,但與機器人技術或者電容式充電技術相比,無線充電技術相對更容易實現。”Philipp Matt先生說。
無線充電技術的支持者認為它比有線充電更具優勢,例如充電操作非常簡便,省略了安裝充電柱的繁瑣工程,遭到人為破壞的風險也很小。Qualcomm公司的Grzegorz Ombach先生補充說道:“無線充電設備在結構上也非常靈活,例如在老城區中,它可以隱藏在地下,不影響老城區的整體風格。它可以在100~300mm的間距內進行感應充電,因此也可以安裝在瀝青路面之下。”Brusa公司的研發領導人還指出了另一個優點:“擁有插電式混合動力轎車的人們也可以放棄利用電纜充電,而采用更加舒適和方便的無線充電技術。在感應式的無線充電技術中,啟動充電的操作非常簡單,按一下鑰匙或者應用按鈕,車輛就自行開始充電了。”
無線充電技術的批量應用,還與無線充電系統采用何種結構的技術標準有一定的關系。在標準化方面,人們已經做了許多努力了,但各國企業之間仍然存在著不同,最主要的差別就是頻率。Grzegorz Ombach先生建議:“業界完全可以設定可以自由使用的頻率段,例如80~90kHz。我們的無線充電系統在這一頻率范圍內工作,汽車生產廠商和一級供應商也在這一頻率范圍的基礎上開發自己的產品。”
共存的系統
無線充電系統在批量生產過程中還要考慮其安全性和可靠性,兩家公司都為自然界中的生物和活動物體進入充電磁場設計了相應的解決預案。他們開發的無線充電解決方案都能識別進入磁場的金屬物體。在探測到金屬異物進入充電磁場時即切斷充電,向汽車駕駛員的手機發送一個信息:“有異物進入了無線充電的位置,請排除。”第二種安全保護措施主要是針對家養寵物而設計的,功能方法類似。
Brusa和Qualcomm兩家公司有著類似的大批量生產的規劃表。2016年年底及2017年年初是他們計劃推出第一款無線充電系統的時間。無線充電設施的建造、推廣首先是在家庭的車庫和停車場中。目前這兩家公司開發的無線充電系統主要針對國際性的汽車生產廠商和大型零部件供應商,這些廠商只要對其無線充電技術感興趣便可提出申請。
但這兩家公司的主管人士都不認為無線充電技術會在短期內把有線充電取代掉。“在今后的10年時間里將會是兩種充電系統并存的10年。標準的形成和基礎設施的建設并不會像我們期待的那樣順利、快速和有效。”Philipp Matt先生說。
展望無線充電技術的未來遠景,有人認為其充電方式還可以是動態的充電,也就是說在電動汽車行駛時也可以為其充電,但這一切的前提首先是定位充電和固定地點無線充電的批量化。