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特斯拉入局,大功率无线充电与“边走边充”还有多远?

特斯拉入局,大功率无线充电与“边走边充”还有多远? 华若汀电能先锋
2023-09-01
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马斯克曾表达过这样的看法:与250千瓦、350千瓦功率的超级充电站相比,电动汽车的无线充电效率显得相对较差。这也意味着,在短期内,他们不会专注于推广无线充电技术。

然而,不久后,特斯拉宣布了一项重大举措,即收购德国的无线充电公司Wiferion,收购金额高达7600万美元,相当于约5.4亿人民币。Wiferion成立于2016年,专注于为工业环境提供自动驾驶运输系统和无线充电解决方案。据报道,该公司已在工业领域广泛部署了8000多个充电器。


意料之外,也在意料之中


在之前的投资者日上,特斯拉全球充电基础设施负责人Rebecca Tinucci提出了一种潜在的适用于家庭和工作场所的无线充电解决方案的构想。可以想象,无线充电技术在电动汽车补能系统中扮演着不可或缺的角色,早晚会得到广泛应用。因此,特斯拉收购Wiferion的举措是合情合理的,可以提前占据有利位置。根据公开信息,Wiferion的技术主要应用于工业设备和机器人,可能在后续被安装在特斯拉的生产设备或者人形机器人"擎天柱"上。

除了特斯拉,中国作为电动汽车领域的全球领导者,也在持续探索无线充电技术。截至2023年7月底,吉林长春一条全长120米的高功率动态无线充电道路上,一辆无人驾驶的新能源汽车在专用标识区域内平稳行驶,仪表台显示车辆正在进行充电。据估算,新能源汽车在行驶过程中可以获得足够的电量,让其续行1.3公里。去年1月,成都还开通了中国首条无线充电公交线路,进一步推动了无线充电技术的发展。

在新能源行业中,特斯拉作为示范效应的典范,无论是一体化压铸技术还是4680大圆柱电池电芯,其技术和产品创新方向常常被视为楷模。特斯拉此次布局电动汽车无线充电技术,是否能够促使这一领域的发展,推动无线充电技术走进普通家庭?


电磁感应VS磁场共振,无线充电技术哪家强?



电磁感应无线充电演示目前,这种技术已经广泛应用于手机的无线充电方面。然而,该技术存在一些弊端,比如传输距离较短、位置要求较严格,同时能量损失也比较大。因此,它并不一定适用于未来的汽车充电。另外,如果将传输距离从1厘米增加到10厘米,能量的传输效率将从80%降至60%,存在着电能浪费的现象。

与之相比,磁场共振式无线充电技术由电源、发射面板、车载接收面板和控制器组成。当电源发送端感应到与汽车接收端相同的共振频率时,能量通过磁场的共振来在空中传输。更专业地说,当我们用射频能量来激励发射端时,会在发射端周围产生一个无功率场。在这个场中,磁场和电场之间呈正交关系,并且在相位上相差1/2pi。磁场的强度远高于电场的强度,从而能够储存能量。然而,合成的电磁波功率流密度为零,因此不会传输任何能量。当我们将具有相同谐振频率的接收端放置于这个场内时,发射端和接收端之间会出现同频磁场的谐振,能量以磁场的形式从发射端耦合到接收端,从而实现能量的空间转移。

相比电磁感应式无线充电技术,磁场共振方式的能量损失较小,效率可以达到90%以上。而且,它不受位置的严格限制,可以实现较长的传输距离。只要发送端和接收端的频率相同,距离可以达到10米,甚至可以实现一对多的充电。目前,许多主机厂正在探索磁场共振技术的发展方向。

另外,微波电力传输技术更加神奇,适用于远距离传输电能。例如,可以将太空中辐射能量更强的太阳能以微波的形式传输到地面,而无需任何电缆连接。这一技术是人类几百年来的梦想之一,但目前的进展相对缓慢。1968年,捷克裔美国科学家、NASA工程师彼得·格拉泽(Peter Glazer)就曾设想过将太阳能电池板发射到距离地面3.6万公里的地球同步轨道上,然后将产生的电力转换为微波,并由地面接收站将其转换为电能。

然而,微波电力传输技术仍面临着复杂的技术和应用挑战。


暗潮涌动,无线充电技术的“悸动”


除了特斯拉,还有许多公司对电动汽车无线充电技术表示兴趣。Wiferion公司是一家被特斯拉收购的公司,他们采用电磁感应技术路线,可以将充电效率提高到93%。同时,他们的充电器允许车辆在放置时有最多40毫米内的位置误差。

除了静态无线充电技术,动态方式更加令人着迷。最近,法国实施了一项长达2公里的无线充电道路项目,让电动汽车在行驶过程中可以自动充电。

瑞典也有相似的创意,他们正在建设世界上第一条永久的电气化道路。这条道路位于首都斯德哥尔摩哥德堡和马尔默之间的枢纽干线上,沿着欧洲E20路线延伸21公里,是法国项目的10倍。预计该道路将于2025年开通。届时,不仅通勤车辆可以充电,往返于这条道路上的商用车辆也能实时补充能量。瑞典还计划将未来90%、3000公里的道路电气化。

动态无线充电技术的发展包括电磁感应式和磁场共振技术路线。该技术可以实现多台车辆在道路上同时充电,尤其适用于戈壁、沙漠等偏远地区的能源补充需求。一种解决方案是在道路两旁安装太阳能光伏板,并配备储能系统,形成一个自治的微电网,既可以脱离电网工作,也可以与电网连接,实现自给自足。这种技术不仅能满足偏远地区的能源需求,还能大大减轻电动汽车对电网带来的负荷。

除了充电服务商的研究突破,主机厂对无线充电技术也表现出浓厚的兴趣。目前,全球范围内已经出现了试点无线充电技术的车辆。大众、宝马、沃尔沃、现代、本田、丰田、通用等国外品牌都在积极研发无线充电技术。例如,2014年,宝马与戴姆勒合作开发了电动汽车的无线充电技术。2018年7月,宝马在美国首次推出了具备无线充电功能的量产车型530Le插电式混合动力汽车,充电功率为3.2kW,系统效率85%,可以在3.5小时内完成9.4kWh电池的充电。

沃尔沃也在测试无线充电技术。其在瑞典市场销售的XC40电动版本,最大充电功率可达40kW,30分钟充电后可以行驶100公里。不过,这个数值显然是一个相当理想的目标;与此同时,现代汽车为其高端品牌捷尼赛思GV60安装了WiTricity无线充电硬件,宣称在无线充电模式下,可以在6小时内充满电池;本田汽车则选择了磁场共振技术路线。

国内自主汽车品牌也加入了无线充电技术的研发和布局。早在2018年,上汽荣威就推出了全球首台实现无线充电的纯电动车型。2020年,一汽红旗推出了可无线充电的红旗E-HS9。2023年3月,上汽智己成功实施了首个11kW大功率整车智能无线充电方案。吉利、长城、比亚迪等品牌也在积极研发和布局无线充电技术。


功率小、成本高,大功率无线充电应用尚早


2020年12月,国务院办公厅发布了《新能源汽车产业发展规划 (2021-2035年)》。2022年,国家发改委等十个部门出台了《关于进一步提升电动汽车充电基础设施服务保障能力的实施意见》,明确提出要加强和推进无线充电等新型充电技术的研发。2023年5月,工信部发布了《无线充电(电力传输)设备无线电管理暂行规定》,其中对汽车无线充电的工作频率做出了明确规定。

相对于传统的有线充电桩,无线充电确实更方便,没有线缆、充电枪和接口的束缚,也更安全。此外,无线充电的普及可以减少电动汽车需要搭载的大容量和体积的车载电池,从而使电动汽车更加节能、低碳。

然而,电动汽车无线充电技术在大规模应用方面仍然存在一些挑战。

首先,充电功率较小,充电速度较慢是一个主要的障碍。目前,7kW、11kW是无线充电研发的主要功率等级,行业标准也围绕11kW展开,而22kW及以上功率的发展进展相对缓慢。以电池容量为80千瓦时为例,采用11kW功率的无线充电系统,充满电需要接近8小时,与动辄120kW功率的高功率充电桩相比,相当于家用交流慢充桩的水平。除了具有炫酷的外观,无线充电技术如果无法在功率上得到显著提升,很难得到车主的认可。

其次,无线充电设施的成本较高。在地面上安装无线充电设施的费用是充电桩的好几倍,11kW的无线充电桩价格在2万-3万元之间,而铺设动态无线充电道路的投入更是高昂,每公里造价可达100万美元,后期的维护费用也远比有线充电桩高得多。例如,智己推出的11kW无线充电桩需要车主另外购买并安装,统一售价为18999元,而同样功率的私人充电桩约为2000元。

另外,无线充电的技术原理是通过电磁波传输能量,这让用户担心电磁辐射问题。尽管专家解释说无线充电的频率主要是低频,辐射范围有限,不会对人体健康产生危害,但让大众接受这一观点还需要时间

虽然无线充电技术的应用还不够完善,但随着自动驾驶时代的到来,无感自动充电机器人和无线充电技术方案将成为标配。充电运营商和服务提供商也在积极布局,国家电网、能链智电等公司推出了自动充电机器人。在未来,这些技术将得到进一步发展和普及。

根据预测,全球电动汽车无线充电市场规模预计将从2020年的1600万美元增长至2027年的2.34亿美元,年复合增长率预计将达到46.8%。这也是特斯拉提前布局无线充电技术的原因之一。然而,特斯拉要实现大功率无线充电和“边走边充”的落地可能在短期内难以实现。


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