電池研究院：紅警磁爆線圈與無線充電技術

　　【太平洋汽車網 技術頻道】眾所周知，修行尚淺的老僧無法“隔衣療傷”，傳授內力更是只能通過肌膚接觸的方式傳功。

　　與武俠世界中相似的是，現實生活中的接觸式能量傳輸之效率同樣遠高于隔空傳輸，聽到這就連水果鐵粉都想把貴上天的Magsafe磁貼定義為百無一用的宗教圣器。

　　無線充電技術（Wireless Charging Technology）是一種電能隔空傳輸的技術，能量傳輸方式類似中國古典物理攻擊中的“隔山打牛”。

　　將無線輸電技術帶到人間的先驅是塞爾維亞美籍物理學家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）。

　　早在1891年，特斯拉發明了“特斯拉線圈”（Tesla Coil），能制造出特別炫目的人工閃電。從某種意義上說，他成了雷神索爾的現代化身。

　　1893年芝加哥世博會，也即是哥倫比亞世界博覽會(The World's Columbian Exposition)之上，特斯拉在電力館中展示了他的特斯拉線圈，以及無線傳輸電能的磷光照明燈。

　　1901年，特斯拉在紐約長島建了一座57米高的沃登克里弗塔（Wardenclyffe Tower），用作無線電能傳輸實驗。

　　很多人都玩過《紅色警戒》，蘇聯陣營的高端防御塔叫“磁爆線圈”，別稱就是“特斯拉線圈”，能用磁爆步兵增加威力的那款。游戲設定中的盟軍光棱塔是愛因斯坦發明的，這在歷史上純粹算瞎扯；但磁爆線圈的確是特斯拉發明的，這位隔空輸電技術鼻祖如假包換。

　　可見，不能無線充電的特斯拉電動汽車并非正品。（誤）

　　1903年7月的數個夜晚，雷神索爾，哦不，鬼才特斯拉使用沃登克里弗塔制造幾百英里半徑范圍的人造閃電，點亮了天空。

　　不過由于沃登克里弗塔的電能傳輸指向性很差，所以無法像《紅警》當中那樣直接指向敵軍單位進行物理攻擊，更別談通過磁爆步兵進行威力加強了。

　　據稱沃登克里弗塔能將人工閃電打到40公里外，有一次還將某座小鎮的電網給劈廢了……

　　往后的1968年，衛星太陽能電站（Satellite Solar Power Station）之概念在美國提出，不過實現難度太大。

　　1996年，日本任天堂《寶可夢》主角比卡丘誕生，將電能隔空傳輸技術帶到動漫行業。

　　雖然無線充電看起來都一樣，但主要分為4種實現方式，以下數據主要來自“電子發燒友網”的大神：

　　電磁感應式的無線充電原理在高中課本講過，就是初級線圈給次級線圈“布道”傳功，現在我們用的最多的手機無線充電就是用的這個原理，電能傳輸效率比較高，但傳輸距離很近。

　　磁場共振式無線充電儀器會將收/發兩套裝置的頻率調到一個固定頻率上共振，進而彼此交換能量。

　　通過增加發射機和接收機的線圈尺寸與數量，充電功率與距離都可以不斷增加。此前傳輸距離只有cm級，現在逐漸邁向km級，不過傳輸效率比較低。2007年麻省理工學院物理學教授 Marin Marin Soljacic做了一個2m距離的無線輸能試驗，結果效率只有40%。

　　無線電波式最好理解，就是wifi的意思。小米雷軍之前就在微博放炮說要量產化隔空充電裝置，不過大家聽聽就算了……這種無線充電方式的距離很長，但能量轉換效率很低，而且還得讓發射器有主動定位功能（相控陣雷達了解一下），你猜成本能降下來嗎？

　　耦合的英文是Coupling，換個流行的腦殘簡寫就是CP……

　　電容耦合就是讓初級和次級電路中的電容進行無線關聯，利用磁場感應讓電能在不同結點之間傳輸，優勢是發熱量很小，而且對準要求比較低，非強迫癥用戶絕對會點贊。

　　無線充電設備的結構并不復雜，恰好太平洋汽車網的隔壁就是太平洋電腦網，我們兄弟部門有一組無線充電器的圖片可以直觀給到大家了解。

　　平時手機用的無線充電器/無線充電寶基本都是這種結構，屬于電能的發射端，下圖是主控芯片，這里提到的Qi標準會在后文再次提起。

　　下圖是初級線圈，發射電能信號用的，繞組尺寸很小，標稱的無線輸出功率只有5W，用來看高清視頻的話可能充電速度低于放電速度……

　　接下來就是無線充電寶的四顆18650電芯（直流電），去掉電芯就是更純粹的充電板（交流電變直流電），價格便宜些。

　　無線充電設備的結構簡化理解，就是下面的課本配圖，電能經由發射電路到達接收電路。

　　目前無線充電產業鏈已經被智能手機逐漸培養起來了，因此汽車的無線充電不再是海市蜃樓而已，不是偽需求，未來依然有機會。

　　無線充電的效率被有線充電吊打是正常操作，畢竟前者涉及的元器件更多，可以損耗能量的地方更多：

　　a、結構耗能：通過發射與接收兩組元器件。

　　b、芯片耗能：發射端和接收端的芯片。

　　c、線圈耗能：發射與接收線圈本身有內阻，大功率輸電時發熱明顯。

　　d、傳輸損失：隔空傳輸，跑掉的散兵游勇太多。

　　e、設計損失：比如發射端開始了，接收端還沒開始，能量就跑了。

　　目前，理論上最高的無線充電傳輸效率在80%左右，實際上根本達不到。

　　如今電動牙刷應該是性價比最高的無線充電設備了，100-200元就可以買到個主流品牌的入門款。

　　因為要做到全身防水，經常拆裝機身的話比較容易破壞防水結構，所以多數電動牙刷都做成了無線充電的樣式。電池一般是17500或者18650之類的，直徑太大的話不好握，直徑太小的話又要經常充電。

　　因為牙刷的使用頻率是一天兩次，中間隔著十幾個小時，無論你是睡前刷完牙放到底座上充電，還是起床后刷完牙放到底座上充電，都能保證基本充滿，孱弱的充電效率根本不是問題。

　　智能手機的無線充電功能被消費者逼著做出來的。進入智能手機時代之后，巨大的手機屏幕與運算效率驚人的芯片，讓現在手機的耗電量遠遠高于九宮格板磚，結果鋰離子電池跟不上了……

　　因為蘋果的不可換電設計開了一個壞頭，一天一充，甚至一天兩充，是目前智能手機用戶的常態。為了提升充電功率縮短充電時間，我就比較喜歡用電腦的65W Type-C充電器給智能手機充電……

　　無線充電裝置目前已經變得非常便宜，二三線副牌隨便幾十塊就能買到一個。此前只有7-10W，目前量產化、實用化的無線充電功率已經到達20W左右了。

　　解決了無線充電時不能玩手機的問題。對了，為什么要花這329多塊呢？（這還沒算149元的20W充電頭）況且還得端著這么大個圓盤，直接用祖傳五福一安也差不了太多……

　　實際充電功率只有10-15W左右，跟三年前買的廢舊小米充電寶差不多。如果使用第三方保護殼會影響充電功率，又回到五福一安的石器時代。

　　以后iPhone是不是要取消充電插口了……（又能賺到一大筆獨家外設費用）

　　2017年7月，戴爾發布了Latitude 7285無線充電筆記本，無線充電方式為WiTricity提供的磁共振式，技術源頭是麻省理工學院（MIT），最高充電功率可以去到30W。

　　這家位于馬薩諸塞州的WiTricity公司同時研發著汽車無線充電技術，是AirFuel聯盟的成員。

　　終于回到汽車動力電池的無線充電這個主要話題上面來。

　　由于動力電池的容量實在太大了，無線充電設備的傳輸功率實在太低，這是一對天生的矛盾，因此是無線充電行業的終極話題。

　　相比當前有線方案，無線充電本身的優勢并不明顯，除非配合自動泊車技術，還得是L4級別的才行。之前Marvel X吹過要做自動泊車+無線充電的方案，結果牛吹出去了過了三年還沒實現。

　　L4自動駕駛技術的優勢在于人可以到車外，讓車子自己去找車位和無線充電板，這樣子可以節省駕駛者的時間，相當于古時候長途騎馬之后，把馬放到草地上吃草補充續航。

　　另一種方案則是在固定路線預埋無線充電板，對商用車輛進行無線充電，這樣子可以提升資源利用效率，才有可能在商業上得到良性循環。問題是，既然是固定線路，直接用有線不更便宜更快速嗎？又是脫褲子XX。

　　在3C電子領域，無線充電標準一共有4個巨頭，最出名的是無線充電聯盟WPC推出的Qi標準（剛剛那個無線充電寶為例）；此外Alliance for Wireless Power（A4WP）與Power Matters Alliance（PMA）在2017年合并為一家無線充電行業聯盟（AirFuel Alliance），翻譯跟前者基本一致；最后一家就是什么外設錢都想自己賺的蘋果。

　　在新能源汽車領域，目前無線充電標準比較繁雜，我們舉兩大巨頭的例子：一個是美國汽車工程師學會SAE發布的TIR J2954，據稱能量傳輸效率最高可達85%（目前技術條件下是空中樓閣），設有四個功率級別，分別是3.7kW (WPT1)、7.7kW (WPT2)、11kW (WPT3)、22kW (WPT4)。目前正在玩的是WPT1和WPT2。

　　另一個是中國電力科學研究院（CEPRI），中國汽車技術與研究中心（CATARC）、中國電力企業聯合會（CEC）與前文提到的WiTricity公司合作之成果，中國國標GB/T 38775《電動汽車無線充電系統》。

　　國標的前4種功率跟SAE標準是一致的，后面還有WPT5-7，其中WPT7的充電功率大于66kW，對于有線充電而言都算得上快充。 

　　回應“手機無線充電如此普及，為什么汽車無線充電無法實現？”這個靈魂拷問時，我們就可以用一句神回復——拋開劑量談毒性都是耍流氓。

　　新能源汽車的電池容量太高了，成為了這項技術量產之路上的最大難題。

　　早在2013年，沃爾沃就對外公布了一下無線充電技術，但這個項目并未持續下去。

　　一方面是因為無線充電太慢，動力電池容量太大，他們的測試車是一臺電動版的沃爾沃C30；另一方面則是沃爾沃的電動汽車項目太緩慢了，他們當時的注意力在Drive-E模塊化動力總成之上。

　　2014年輪到豐田發力無線充電技術，他們還針對性地優化了自動駕駛技術，讓兩種雞肋的玩意合體變成可用的。

　　2016年，一家叫Evatran的公司專門給特斯拉Model S設計了一款無線充電系統，賣當時的2500美元，也就是1.6萬人民幣左右。

　　據稱最大充電功率可以達到7.2kW，問題是他們并未詳細介紹如何改裝特斯拉車載充電機來接受能量。

　　目前Evatran官方上對他們產品的描述依然有點虛……

　　2016年，戴姆勒集團就曾透露要在當時的梅賽德斯-奔馳S550e plug-in hybrid插電式混合動力版（W222）上面配備一套無線充電系統。（問題來了：無線充電版本的S級是否還叫“plug-in”呢？）

　　當時筆者寫的新聞是這樣的：如無插隊的黑馬，奔馳S級將成為全球首個可選裝無線充電系統的車系。

　　結果到現在來看，S級都換W223世代了，還沒有插隊的黑馬出現……

　　戴姆勒集團當時準備在S級的底盤下安裝一組大大的次級線圈，接收埋藏于地底下的初級線圈中的能量，據稱能量轉化率超過90%。

　　于此同時，奔馳S550e plug-in hybrid的電池組容量將增加55%至13.5kWh，以獲得更長的純電續航里程。

　　奔馳正準備列裝的無線充電技術，使用了SAE TIR J2954無線功率傳輸標準，至于奔馳將采用哪種充電功率的版本，至今仍未見分曉……

　　日產2017年對外公布了一項無線充電技術，跟WiTricity一起玩的。本來計劃用在第二代；聆風（Leaf）之上，不過最終沒玩成。

　　D5世代（第四代）的奧迪A8 e-tron，在2017年就展示了無線充電技術，不過這款無線充電技術在今年還沒真正量產化。

　　奧迪稱之為AWC (Audi wireless charging)，第一代系統的充電功率只有3.6kW（也就是現在家用掛壁樁的一半），還沒量產的第二代已經能做到11kW，據稱電能傳輸效率高達效率是90%，當前

　　先來看一下Audi A8 L e-tron無線充電的炫酷宣傳視頻，這是奧迪第一款無線充電車，無線充電的功率為3.6KW， 當然前提是車輛充電機與無線充電裝置得靠得足夠近，這就要求充電裝置主動抬升到指定位置了。

　　寶馬此前在2018款530e插混車型上展示了自家的BMW Wireless Charging 無線充電技術，而寶馬與奔馳在技術上是有通用性的，因為此前這兩家巨頭合資（眾籌）開展了無線充電相關的技術研發工作。（嘿，每次都沒奧迪份兒）

　　SAE的TIR J2954標準傾向于給插混車供電，因為功率實在太低了，滿足不了純電動車的大胃口。

　　這臺搭載無線重點技術的530e只有9.4kWh的動力電池，有線充電時長3.0小時，3.2kW下的無線充電時長3.5小時，也算是很爭氣。

　　保時捷2018年發布的Mission E Cross Turismo概念車上就有無線充電技術的相關描述，不過在量產車Taycan之上并未得到呈現。

　　功率參數？只有中央扶手箱里頭的手機無線充電設備功率公布了……

　　除了上面8家主要車企，還有剛剛我們提到的榮威，以及只放了風聲的現代企業。

　　除了汽車廠商，還有相當一部分供應商也在研發車用無線充電裝置，比如高通、中興、西門子等等。華為和小米？我猜他們要進軍汽車領域的話，沒點革命性的技術可玩不成。

　　這是我們見過最詭異的充電槍了，像一條蛇，上下扭動，自動找到充電口插進去……

　　何止是猥瑣，簡直是猥瑣！

　　這種方式如果能實現量產的話，其實也就沒無線充電什么事了。

　　動態無線充電（Dynamic Wireless Charging）是一種更高階的無線充電方式，比“對準要求”特別高的靜態無線充電方式要難很多。

　　簡單解釋就是，路面下方鋪設有非常多的初次線圈，車子一路跑一路充，不斷對接下一個線圈。

　　鑒于汽車移動速度這么快，估計充電效率會低到可怕，白白向空中發射這么多電能。

　　小米不久前發布了隔空充電技術，用144個天線構成的相位控制陣列（相控陣雷達），將電能通過毫米波發射給手機充電。

　　考慮到功率只有5W，能量傳輸效率這么低，而且還會被障礙物遮擋，再大功率的隔空充電則會對人體產生傷害，因此筆者并不看好這項技術。

　　那個……

　　實際上系統會自動找最高充電功率的那個用著，也就是使用有線充電，無線屏蔽工作。

　　電池主要怕幾樣東西，我們一個個數：

　　a、怕熱：如果散熱不佳，的確會有鋰枝晶生長加速、電池短路自燃的風險。

　　b、怕冷：充電不會使電池變冷，這條過。

　　c、怕穿刺：說好了無線，沒穿刺，這條過。

　　d、怕振動：說好了無線，沒振動，這條過。

　　e、怕擠壓：說好了無線，沒擠壓，這條過。

　　f、怕快充：目前無線充電功率不佳，沒過分擔心了，這條過。

　　g、拍改裝：你有能力改無線充電設備？有的話可以直接去特斯拉投簡歷。

　　h、拍過充過放：隨放隨充，功率還小，反而沒那么容易過充過放，鋰枝晶生成/電池容量損失的可能性降低。

　　國標GB/38775對無線充電的電磁場強度進行了規范，確保對人體沒有傷害，前提是消費者必須買到符合國標的認證產品。

　　P.S. 

　　職業曝露：個人因從事固定或指定的職業活動而受到的所有電磁場曝露。在接受適當的指示和培訓的條件下，工作者已知且自愿經歷電磁場的影響。

　　公眾曝露：公眾受到的所有電磁場曝露，不包括職業曝露和醫療曝露。一般情況下，公眾是在不知情的狀況下曝露于電磁場。

　　國標進行了保護區域的劃定，此外還對充電板的強度進行了規范，免得一些低質量充電板被車輪碾壓多幾次就損壞漏電，畢竟無線充電設備發射端最高的輸出電壓可以達到1500V AC這么可怕。

　　充電板（發射裝置）的安裝方式分為兩種，地埋式抗損能力強一些，下方的地上安裝方式就得更多地考慮機械結構的穩固程度了。

　　a、不用抬那根死重的充電線纜，機械損耗也少了（無機械連接）。

　　b、充電場景更靈活，配合自動泊車技術使用更佳。

　　c、更少過充過放的可能性，提升電池循環壽命。

　　a、能量損耗，造成浪費。

　　b、充電速度慢。

　　c、成本太高，車載充電機、自動駕駛技術、充電地坑、無線充電板（還得可升降）四者疊加得是多可怕的成本。

　　d、配備無線充電配套設施之后，車重增加，續航降低。

　　e、對準要求高

（圖/文/攝：太平洋汽車網 黃恒樂）