汽车无线充电技术详细解析

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谷歌加入无线充电行列

据国外媒体报道,联邦通信委员会(FCC)资料显示,谷歌正为无人驾驶汽车开发无线充电技术,在加州总部,谷歌已经开始为原型电动无人驾驶汽车测试两套无线充电系统。

资料显示,Hevo Power和Momentum Dynamics公司分别为谷歌无人驾驶汽车提供无线充电技术,其中纽约创业公司Hevo Power在去年2月份获得FCC许可,MomentumDynamics公司在7月份获得许可,为谷歌总部安装实验性充电桩。

手机无线充电

前两年诺基亚和三星等厂商都推出过无线充电的手机。

手机无线充电的原理如图所示:

原理上讲,给汽车无线充电和手机无线充电没有太大区别,只是充电的瓦数更高了。


(一)无线充电类型和原理

1.无线充电的类型

 从具体的技术原理及解决方案来说,目前无线充电技术主要有电磁感应式、磁共振式、无线电波式、电场耦合式四种基本方式。这几种技术分别适用于近程、中短程与远程电力传送。这几种方式的比较如下图所示。


2.电磁感应式

当前最成熟、最普遍的是电磁感应式。其根本原理是利用电磁感应原理,类似于变压器,在发送端和接收端各有一个线圈,初级线圈上通一定频率的交流电,由于电磁感应在次级线圈中产生一定的电流,从而将能量从传输端转移到接收端。


3.磁共振式

磁共振式也称为近场谐振式,由能量发送装置,和能量接收装置组成,当两个装置调整到相同频率,或者说在一个特定的频率上共振,它们就可以交换彼此的能量,其原理与声音的共振原理相同,排列在磁场中的相同振动频率的线圈,可从一个向另一个供电。



磁共振式则是麻省理工目前在开发的一类充电技术,共振传输的距离比普通感应式更远一些。技术难点是小型化和高效率化,被认为是将来最有希望广泛应用于电动汽车无线充电的一种方式。


4.无线电波式

无线电波式,基本原理类似于早期使用的矿石收音机,主要有微波发射装置和微波接收装置组成。典型的是20世纪60年代布朗(William C. Brown)的微波输电系统。


整个传输系统包括微波源、发射天线、接收天线3部分;微波源内有磁控管,能控制源在2.45GHz频段输出一定的功率;发射天线是64个缝隙的天线阵,接收天线拥有25%的收集和转换效率。

无 线电波式此前更多出现在科幻电影或者小说里面,实际上它也是无线电力传输的一个很好的方式,只不过受到发送功率等方面的限制,并未大规模实用化。无线电波 传输的最大好处就是传输距离远,甚至可以实现航天器与地面之间的能量传输,同时还可以实现定向传输(发射天线有方向性),未来前景值得期待。


5.电场耦合式


电场耦合方式以日本村田制作所为代表。这类无线充电技术,发射器与接收器分别安装两个(或两组)独立的电容极板,当发射器与接收器靠近时,两组电容极板形成了两个电容。电容中通以高频、高压交变电流,便可实现电能从发射侧到接收侧的传输。


(二)  高通Halo技术解析


1.高通介绍

Qualcomm高通,相信很多人都知道,因为很多人的手机用的就是“高通晓龙”处理器。它是一家以半导体技术而闻名世界的高科技企业。在很多人的眼中,高通就好像是手机界的Intel一般。

但事实上,高通不仅仅在半导体芯片行业中全球领先,还是一家顶尖的集无线互联、射频IC以及卫星导航等技术于一身的科研公司(真心牛逼)。

借住Formula E电动方程式大赛高通推出了他们自家的Halo车用无线充电系统,该系统可以通过无线连接的方式对电动汽车电池进行充电,标志着高通又向着新能源车辆领域迈出了重要的一步。

在 汽车领域,Qualcomm高通除了提供Halo无线充电技术外,还推出了汽车级的骁龙处理器骁龙602A、3G/4G LTE多模调制调解器和Qualcomm VIVE Wi-Fi及蓝牙解决方案。这些技术将加速下一代车载系统的发展,并且还可实现车与车之间交流、车与交通信息交互、车与行人间的交流、远程车辆监控和诊断 服务、紧急管理辅助服务、车载 Wi-Fi 接入点、音频、视频和其他云内容传送等等功能,让使用车辆更为便捷,犹如在家中使用自己的电脑一般。


2.Halo技术原理

高通Halo无线充电系统属于磁共振式无线充电。它的原理就是利用磁共振效应来对电动或混动车辆的动力电池组进行非接触式充电。


这个充电过程无需使用传统的电缆即可进行,在需要充电时,车主仅需要将车辆停放在Halo的充电板上方即可,因此更加方便、省力。


3.Halo系统设备与布置

Halo无线充电技术的设备主要由电源、发射面板、车载接收面板以及控制器组成,与汽车之间无需任何的线缆链接。


充电板和汽车端的接收板均是由线圈组成。具体实物如下图所示。


4.Halo技术优势

1)充电效率方面

Halo无线充电技术结合磁共振技术并进行了优化,可确保更高的耦合系数,降低系统电流,在充电过程中能量的损失要低于电流在传统线缆中的损耗,可以实现更高效率和更高功率得无线充电。现在Halo无线充电技术可达到90%以上的充电效率,超过了线缆充电。

2)充电速度方面

Halo可以根据用户需求调整充电的功率,其范围可以从6.6kW-20kW不等。如果按照最高的20kW计算,充满电池容量85kWh的特斯拉MODEL S P85仅需要不到5小时。

3)充电距离方面
Halo充电板可以在50mm-200mm的距离内完成对车辆的感应充电,因此不论是像MODEL S这样底盘较低的轿跑车,还是底盘较高的SUV,例如比亚迪唐SUV,都可以方便地使用。

4)充电方便程度方面
磁共振无线充电技术最大亮点是无需精准对接,充电板与接收板之间允许有一点的位置误差。同时在倒车入充电位接合充电板时,手机上APP将有是否停好位置的提示,车停好之后将会自动开启充电模式。

5)充电安全性方面
磁共振会有一定的电磁辐射,容易产生两个方面的问题。一方面,电磁辐射量大不大,会不会对于人体产生伤害;另一方面,设备运行时是否会产生诸如火灾之类的危险或隐患。

在 电磁辐射方面,高通表示Halo工作时的辐射强度约为100μT(微泰斯拉),符合ICNIRP(International Commission on Non-Ionizing RadiationProtection,国际非电离辐射防护委员会)的相关标准。事实上,在进行手机通话时,磁感应强度可以达到220μT,因此大家对 于Halo的辐射水平可以有个较为形象的理解。

在杜绝危险隐患方面,高通为Halo设定了防护程序。一旦处于工作状态的充电板上有金属罐一类的异物,或是小动物、幼儿时,Halo将自动停止充电作业,以避免危险,同时会将相关信息发送至车主的手机客户端中。


5.Halo未来发展

目前 Halo 技术的应用主要是静态充电,未来会在提供半静态充电和动态充电技术。半静态指的是车子速度非常慢的时候可以进行充电,比如等红灯的时候,或者出租车机场候客,此时车速很慢。而动态充电则是终极目标,意味着高速行驶下也能充电。


(三) 边走边充的“充电车道”技术


1.充电车道是什么?


电动汽车的电池技术和充电技术一直是制约电动汽车发展的主要瓶颈。电动车的续航里程较短以及充电麻烦、时间长等问题一直是限制电动汽车发展的重要因素。同时也是很多车主购买不愿购买电动汽车的原因。

为解决这个难题,有些人提出了无线“充电车道”的概念,其核心理念就是汽车在路上边走边充电,从而解决上述的问题。充电车道有着巨大的潜力,能大大延长电动汽车的驾驶里程,最终给高速交通带来变革。


2.充电车道技术原理



充电车道就是在公路的柏油层下方,按一定的距离布置初级线圈,当电动汽车从上面经过时,就能进行充电。



3.充电车道线路建设

充电车道的高速公路可以沿着高压输送线建设,对于充电车道来说可以获得稳定的电量来源。


此外,高速公路上一般都比较空旷,可以在高速公路两侧建设各种太阳能发电设备,充分利用太阳能来发电。


4.充电车道发展现状

1)韩国

早在2013年韩国就已经尝试过无线充电车道,并且目前已经有两辆公交车往返在这条道路上。不过韩国尝试的只是公车道,并没有对民众普及。

这 些所谓的线上电动汽车(OLEV)利用形磁场共振(SMFIR)技术,通过马路下埋设的电缆进行无线充电。这种巴士约在马路上方17厘米的高度行驶,电池 只有传统电动汽车所用电池的三分之一体积,电量由电缆创造的磁场提供,充电量相当 于100千瓦。这种巴士的用电效率极高,可利用电缆发射电量的85%。

研 究人员对该技术寄予厚望,希望在接下来的几年时间里,该项技术能应用到更多城市。该技术的启动成本很小,因为不需要在整条街道下埋设电缆,只需要沿路铺设 一部分,而这些部分只有巴士开过时才会启动,所需电量很少。但在大计划中,难以看到SMFIR技术被应用于普通客运车辆,因为这需要挖开所有街道铺设电 缆。

2)英国

英国打算首次在高速公路上尝试“无线充电车道”,来提高民众购买电动汽车的意愿。但英国政府很担心无线充电 车道的效果能否达到预期,因此目前旨在部分高速公路进行测试。如果这个测试结果令人满意的话,英国政府将会打造一个能更耐长时间行驶的交通网络,彻底解决 电动汽车续航里程短的缺点。

3)瑞典

Volvo集团参与瑞典国家型电动车计划,他们在马路上埋入两根电线,并在卡车后面设置与电线接触的电流收集器,当车子行经此路面时,可将电流收集器伸出接触地面,补充电力。

2012 年Volvo集团在瑞典哥特堡(Gothenburg)建了一条400公尺的充电车道,并于当年的秋天开始进行试验,测试如何将电传导入车体。研究团队表 示,这个电动车道的构想要能成真并达到实际应用的地步,仍需要许多科学研究做为支持,包括电流收集器、电动马达和所需的控制系统等技术。


4)中国

国内首条电动汽车无线供电车道在南宁建成,该条充电车道由广西电网公司建设。该项目建成了国内首条为电动汽车无线供电的车道,通过无线传能的方式,在线为车辆提供电能,目前已投入使用。

目前车道提供的最大功率为30kW,以总电池容量为24kWh的电动汽车为例。如果以30kW的功率进行充电,充满电所需时间不足1小时,续航里程100公里。充电效率大于80%,耦合效率大于90%。不需要对整条路进行改造,而是对整条路的某一段或某个点进行改造。  


5.充电车道缺点

对于无线充电,虽然其有许多好处,但目前无线充电还面临着一些困境:电磁波辐射对人体健康有影响、电能转化率低,与节能时代方向不符。

对于充电车道来说,造价是一个非常大的问题。

但我们相信,随着技术的进步和社会的不断发展,充电车道的前景是非常光明的,只不过来的会迟一些。


 

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