Tesla火了之后，電動(dòng)汽車走進(jìn)大眾的視野，盡管Tesla已經(jīng)足夠出色，續(xù)航里程超過480公里，但人們也不得不承認(rèn)一個(gè)尷尬的事實(shí)，充電不方便。人們不得不每次在充電的時(shí)候拿出電源線插上充電樁，等待充電完成。要是能夠無線充電就好了，開到車庫，下車離開，第二天早上，充電已經(jīng)完成。仿佛什么都沒發(fā)生過。無線充電在手機(jī)等小巧的電子設(shè)備上已經(jīng)比較成熟，無線充電在汽車領(lǐng)域的過程引發(fā)了不少爭(zhēng)論，車企也一直在該技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化、實(shí)用化之路上磕磕絆絆前行。下文將與您一同回顧汽車無線供電技術(shù)最近幾年來的發(fā)展情況，以及電子界卷入的開發(fā)競(jìng)爭(zhēng)，并對(duì)市場(chǎng)將來有望實(shí)現(xiàn)大幅增長(zhǎng)的技術(shù)——為行駛中車輛充電的系統(tǒng)進(jìn)行介紹。本文轉(zhuǎn)自日經(jīng)技術(shù)在線,略有刪改。

無線供電技術(shù)在智能手機(jī)等便攜終端領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品化后，在汽車領(lǐng)域也即將實(shí)用化。關(guān)于國際標(biāo)準(zhǔn)的探討也進(jìn)入尾聲，2015年5～6月將敲定方向。屆時(shí)，為市售汽車配備靜態(tài)無線充電(定點(diǎn)充電)功能的環(huán)境將準(zhǔn)備就緒。

無線充電技術(shù)的源起、標(biāo)準(zhǔn)化與車企實(shí)踐

2013年11月，電動(dòng)汽車無線供電向?qū)嵱没~進(jìn)了一大步。美國汽車工程師協(xié)會(huì)(SAE)宣布就電動(dòng)汽車無線供電使用85kHz頻帶(81.38k～90.00kHz)達(dá)成一致(圖1)。而在此之前，有關(guān)無線供電頻帶的爭(zhēng)論一直呈膠著狀態(tài)，成為阻礙實(shí)用化進(jìn)程的壁壘。

圖1：美國汽車工程師協(xié)會(huì)(SAE)宣布電動(dòng)汽車無線供電采用85kHz頻帶(81.38k～90.00kHz)的資料

達(dá)成一致的85kHz頻帶是日本各汽車企業(yè)與美國高通公司等主張的頻帶。SAE制定的無線供電標(biāo)準(zhǔn)“SAE J2954”計(jì)劃包含最大輸出功率為3.7kW(一般家庭)、7.7kW(公共)、22kW(快速充電)、200kW(大型車輛)的4種標(biāo)準(zhǔn)。

圖2：日產(chǎn)汽車2012年公開的EV轎車“LE概念車”

“2年內(nèi)投入實(shí)用”——日產(chǎn)汽車在2012年4月召開的“紐約車展”上宣布將為2年內(nèi)上市的EV采用無線供電技術(shù)。在全球首次公開展示了預(yù)定以“英菲尼迪”品牌上市的純電動(dòng)(EV)轎車“LE概念車”(圖2)。這將成為世界上第一輛標(biāo)配電磁感應(yīng)方式無線供電系統(tǒng)的量產(chǎn)車。

日產(chǎn)汽車2011年宣布將與合作伙伴法國雷諾聯(lián)手，在2016財(cái)年之前，累計(jì)銷售150萬輛EV。但截至2014年3月底，日產(chǎn)汽車的EV累計(jì)銷量為11萬輛，雷諾為4萬輛，相加僅為15萬輛。由于EV的銷量遠(yuǎn)低于計(jì)劃，該公司推遲了以英菲尼迪品牌推出新款EV，以及無線供電系統(tǒng)實(shí)用化的時(shí)間。但私底下并沒有停下開發(fā)的腳步。

已利用EV“LEAF”等車型完成試制

圖3：已利用EV“LEAF”等車型完成試制

日產(chǎn)汽車曾向新聞媒體公開展示了“HYPER mini”和“LEAF(聆風(fēng))”的無線供電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。展示車輛設(shè)想采用的系統(tǒng)最大輸出功率為3.3kW。以240V的電壓充滿需要8小時(shí)。地面線圈設(shè)置在車主自家的停車場(chǎng)，而非公共場(chǎng)所。

為防止地面線圈與車輛線圈錯(cuò)位，車輛配備有基于環(huán)視監(jiān)視器的自動(dòng)泊車系統(tǒng)，只要在導(dǎo)航儀系統(tǒng)中預(yù)留泊車車庫的位置，進(jìn)入車庫后，自動(dòng)泊車系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)。

強(qiáng)化無線供電的不只是日產(chǎn)汽車。豐田為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車無線供電的實(shí)用化，已于2014年2月開始在愛知縣豐田市開展驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。該公司以插電式混合動(dòng)力車(PHEV)“普銳斯PHV”為原型，開發(fā)出了配備磁共振式無線供電系統(tǒng)的汽車。無線供電系統(tǒng)的輸出功率為2kW。使用頻帶是已經(jīng)基本作為國際標(biāo)準(zhǔn)取得共識(shí)的85kHz頻帶。電力傳輸效率約為80%。

圖4：配備無線供電功能的豐田“普銳斯PHV”

豐田表示，“在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，(地面上設(shè)置的)供電線圈與(車輛底部設(shè)置的)受電線圈的距離(線圈間距)約為15cm左右。水平錯(cuò)位的最大允許范圍是一條輪胎的寬度(20cm左右)。前后方向利用車載導(dǎo)航儀的輔助，基本不出現(xiàn)錯(cuò)位”。

本田結(jié)合自動(dòng)泊車

本田也在進(jìn)行開發(fā)。該公司于2014年6月16日公開了配備無線供電系統(tǒng)的“飛度EV”實(shí)驗(yàn)車輛。該車是正在埼玉縣埼玉市實(shí)施驗(yàn)證的智能住宅(新一代節(jié)能住宅)項(xiàng)目的一環(huán)。實(shí)用化將力爭(zhēng)于2016年實(shí)現(xiàn)。

飛度EV的特點(diǎn)是結(jié)合了自動(dòng)泊車系統(tǒng)。通過采用基于自動(dòng)駕駛的精確泊車系統(tǒng)，“可使車輛以縱向±5cm，橫向±10cm的精度，在供電線圈上方自動(dòng)泊車”(本田)。能夠使電力傳輸效率保持在80～90%。

電子界卷入開發(fā)競(jìng)爭(zhēng)

致力于無線供電系統(tǒng)開發(fā)的不僅僅是開發(fā)電動(dòng)汽車(EV)及插電混合動(dòng)力車的汽車廠商(圖5)。除了汽車行業(yè)的眾多企業(yè)之外，電子企業(yè)也也被卷入相關(guān)開發(fā)競(jìng)爭(zhēng)。

圖5：奧迪開發(fā)的電動(dòng)車輛用無線供電系統(tǒng)

在電子企業(yè)中，對(duì)無線供電系統(tǒng)的研發(fā)尤其下力氣的是美國高通(Qualcomm Technologies)。該公司2011年11月宣布，從擁有眾多電磁感應(yīng)式無線供電技術(shù)專利的新西蘭奧克蘭大學(xué)(University of Auckland)收購了無線供電技術(shù)相關(guān)資產(chǎn)。

高通以收購獲得的技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)了用于電動(dòng)車輛的無線供電系統(tǒng)“Qualcomm Halo”。最近，該公司又與梅賽德斯AMG馬來西亞石油F1車隊(duì)展開了共同研發(fā)。

圖6：高通開發(fā)的、支持3.3k～20kW功率范圍的無線供電系統(tǒng)

高通無線供電系統(tǒng)的特點(diǎn)之一是支持多功率。受電圈有3.3kW、6.6kW、20kW產(chǎn)品，送電圈支持最大20kW的全部功率(圖6)。如果只是在家中利用夜間8小時(shí)來緩慢充電，有3.3kW就足夠了。而外出時(shí)想要充電的話，則可選擇支持20kW的無線供電系統(tǒng)。

而長(zhǎng)期以來的技術(shù)課題，也就是送電圈與受電圈的錯(cuò)位問題，則可通過組合自動(dòng)泊車技術(shù)來解決。除了前篇中介紹的本田之外，電裝也開發(fā)了自動(dòng)泊車與無線供電功能相組合的系統(tǒng)。該公司在2013年10月舉行的“第20屆智能交通世界會(huì)議”上做了相關(guān)演示。

在此次會(huì)議上，電裝將能夠自動(dòng)泊車和自動(dòng)充電的系統(tǒng)命名為“Smart Charge”，提出了相關(guān)解決方案。進(jìn)行了根據(jù)控制中心的指示使停車場(chǎng)內(nèi)的車輛自動(dòng)行駛，以及使車輛在指定時(shí)間自動(dòng)向指定場(chǎng)所移動(dòng)的演示(圖7)。

自動(dòng)行駛時(shí)使用監(jiān)視前后左右的4個(gè)攝像頭、檢測(cè)前方物體的激光雷達(dá)、提高位置精度的準(zhǔn)天頂衛(wèi)星定位技術(shù)，以及內(nèi)置的地圖數(shù)據(jù)。

圖7：電裝演示可自動(dòng)泊車和自動(dòng)充電的系統(tǒng)“Smart Charge”。

在自動(dòng)泊車方面，德國博世(Robert Bosch)正在推動(dòng)實(shí)用化進(jìn)程。使用該公司開發(fā)的系統(tǒng)時(shí)，在車輛進(jìn)入停車場(chǎng)后，駕駛員可下車用智能手機(jī)等發(fā)送“開始自動(dòng)泊車”的指示。為安全考慮，可在駕駛員現(xiàn)場(chǎng)守護(hù)的情況下使用。在掌握周圍情況時(shí)，主要使用歐洲廣泛使用的超聲波傳感器(聲納)。

另外，在解決錯(cuò)位問題時(shí)，研究送電圈及受電圈的構(gòu)造也是有效手段。無線供電用線圈的形狀可大致分為圓形和方形兩類。歷史長(zhǎng)的圓形產(chǎn)品在成本等方面具有優(yōu)勢(shì)。而方形產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)則是對(duì)水平向錯(cuò)位的容許量較大。

在行駛中實(shí)現(xiàn)為車充電

在停車狀態(tài)下用無線供電技術(shù)為車輛充電(定點(diǎn)充電)的功能將在不久后邁向?qū)嵱没?。以推出首款產(chǎn)品為目標(biāo)的技術(shù)開發(fā)很可能已有了眉目，但這并不意味著開發(fā)就由此結(jié)束。

這是因?yàn)?，要想使電?dòng)車輛及其無線充電系統(tǒng)進(jìn)入普及期，還必須要進(jìn)一步提高電力傳輸效率并降低成本(圖8)。

圖8：大眾EV“e-up!”在前蓋下的發(fā)動(dòng)機(jī)室中配置普通充電口。要想插入充電電線，必須要先從后備箱中拿出充電電線，然后打開前蓋，易用性稍差。

日本經(jīng)產(chǎn)省負(fù)責(zé)人表示：“要想使電動(dòng)汽車(EV)及插電混合動(dòng)力車(PHEV)普及，就必須要擴(kuò)充充電基礎(chǔ)設(shè)施。在這方面，無線供電技術(shù)被寄予厚望。”

在汽車無線充電方面，還有一個(gè)市場(chǎng)將來有望實(shí)現(xiàn)大幅增長(zhǎng)。這就是為行駛中的車輛充電(走行中充電)的系統(tǒng)。在行駛中實(shí)現(xiàn)充電，便可減小電動(dòng)車輛配備的二次電池的容量，降低車輛成本，同時(shí)還可延長(zhǎng)續(xù)航距離。

“100年后的汽車恐怕將不再依附于‘發(fā)動(dòng)機(jī)’、‘電池’及‘快速充電’，而是要靠‘電機(jī)’、‘電容器’及‘無線’技術(shù)來行駛。行駛中的無線充電系統(tǒng)需要新的技術(shù)”——東京大學(xué)研究生院新領(lǐng)域創(chuàng)成科學(xué)研究科教授、日本汽車技術(shù)協(xié)會(huì)技術(shù)擔(dān)當(dāng)理事堀洋一指出了為行駛中的無線充電系統(tǒng)實(shí)施新技術(shù)開發(fā)的重要性。

至于汽車無線充電系統(tǒng)的實(shí)用化，有很多日本研究人員在描述前景時(shí)表示：“目前還為時(shí)尚早，將在2020年東京奧運(yùn)會(huì)時(shí)開始宣傳技術(shù)，力爭(zhēng)2030年前后實(shí)現(xiàn)普及。”也就是說，日本業(yè)界很可能會(huì)依據(jù)開發(fā)出來的技術(shù)在市場(chǎng)上確立優(yōu)勢(shì)地位。

但現(xiàn)在時(shí)間已經(jīng)不充裕了。日本汽車技術(shù)協(xié)會(huì)無線供電系統(tǒng)技術(shù)部門委員會(huì)干事橫井行雄警告稱：“日本起步較晚，眼巴巴地看著別人不是回事兒。”。

對(duì)日本構(gòu)成威脅的是韓國政府研究機(jī)構(gòu)韓國科學(xué)技術(shù)院(KAIST)。據(jù)橫井介紹，KAIST“正以今后5年內(nèi)為目標(biāo)全力開發(fā)1MW級(jí)別的行駛中充電技術(shù)”。

圖9：KAIST于2009年2月發(fā)表的、作為第一代OLEV的高爾夫球車。

KAIST早在6年多以前就已開始開發(fā)可在行駛中充電的系統(tǒng)“OLEV：On-Line Electrical Vehicle”。2009年2月在KAIST設(shè)施內(nèi)進(jìn)行了高爾夫球車的實(shí)車行駛實(shí)驗(yàn)，然后同年6月對(duì)大型巴士、同年7月對(duì)SUV(多功能運(yùn)動(dòng)車)進(jìn)行了實(shí)車行駛實(shí)驗(yàn)(圖9)。同年12月制造了4輛大型巴士，開始在研究所內(nèi)運(yùn)行。

另外，KAIST還于2010年3月在首爾大公園內(nèi)的行駛線路上啟動(dòng)了園內(nèi)移動(dòng)用列車型EV的運(yùn)營項(xiàng)目。在連接3輛，對(duì)合計(jì)19噸的“列車”進(jìn)行牽引的EV上，配備了最大輸出功率為240kW的電機(jī)。配備鋰聚合物二次電池，容量為24.8kWh。最高時(shí)速為40km/h。在道路下面鋪滿了供電用的線圈，在總長(zhǎng)2.2km的區(qū)間內(nèi)設(shè)置了400m左右的供電區(qū)間，可將“二次電池的配備量減少至通常的20%左右”(KAIST)。

KAIST仍在推進(jìn)開發(fā)。在2015年3月20日研討會(huì)上，KASIT核能與量子工程學(xué)教授Chun T. Rim自信地表示：“目前正在開發(fā)第五代OLEV。輸出功率達(dá)到100kW。即使道路內(nèi)配置的送電軌(線圈)與車輛的受電圈離開有20cm，也可實(shí)現(xiàn)超過80%的電力傳輸效率。”