無線供電技術(shù)在智能手機等便攜終端領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品化后，在汽車領(lǐng)域也即將實用化。關(guān)于國際標準的探討也進入尾聲，2015年5～6月將敲定方向。屆時，為市售汽車配備靜態(tài)無線充電(定點充電)功能的環(huán)境將準備就緒。????
無線充電技術(shù)的源起、標準化與車企實踐
2013年11月，電動汽車無線供電向?qū)嵱没~進了一大步。美國汽車工程師協(xié)會(SAE)宣布就電動汽車無線供電使用85kHz頻帶(81.38k～90.00kHz)達成一致(圖1)。而在此之前，有關(guān)無線供電頻帶的爭論一直呈膠著狀態(tài)，成為阻礙實用化進程的壁壘。
圖1：美國汽車工程師協(xié)會(SAE)宣布電動汽車無線供電采用85kHz頻帶(81.38k～90.00kHz)的資料
達成一致的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制定的無線供電標準“SAE J2954”計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種標準。
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定以“英菲尼迪”品牌上市的純電動(EV)轎車“LE概念車”(圖2)。這將成為世界上第一輛標配電磁感應(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財年之前，累計銷售150萬輛EV。但截至2014年3月底，日產(chǎn)汽車的EV累計銷量為11萬輛，雷諾為4萬輛，相加僅為15萬輛。由于EV的銷量遠低于計劃，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)實用化的時間。但私底下并沒有停下開發(fā)的腳步。
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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)”的無線供電系統(tǒng)實驗。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。地面線圈設(shè)置在車主自家的停車場，而非公共場所。
為防止地面線圈與車輛線圈錯位，車輛配備有基于環(huán)視監(jiān)視器的自動泊車系統(tǒng)，只要在導航儀系統(tǒng)中預留泊車車庫的位置，進入車庫后，自動泊車系統(tǒng)就會自動啟動。
強化無線供電的不只是日產(chǎn)汽車。豐田為實現(xiàn)電動汽車無線供電的實用化，已于2014年2月開始在愛知縣豐田市開展驗證實驗。該公司以插電式混合動力車(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)基本作為國際標準取得共識的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，“在驗證實驗中，(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航儀的輔助，基本不出現(xiàn)錯位”。
本田結(jié)合自動泊車
本田也在進行開發(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”實驗車輛。該車是正在埼玉縣埼玉市實施驗證的智能住宅(新一代節(jié)能住宅)項目的一環(huán)。實用化將力爭于2016年實現(xiàn)。
飛度EV的特點是結(jié)合了自動泊車系統(tǒng)。通過采用基于自動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)競爭
致力于無線供電系統(tǒng)開發(fā)的不僅僅是開發(fā)電動汽車(EV)及插電混合動力車的汽車廠商(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)競爭。
圖5：奧迪開發(fā)的電動車輛用無線供電系統(tǒng)
在電子企業(yè)中，對無線供電系統(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(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小時來緩慢充電，有3.3kW就足夠了。而外出時想要充電的話，則可選擇支持20kW的無線供電系統(tǒng)。
而長期以來的技術(shù)課題，也就是送電圈與受電圈的錯位問題，則可通過組合自動泊車技術(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屆智能交通世界會議”上做了相關(guān)演示。
在此次會議上，電裝將能夠自動泊車和自動充電的系統(tǒng)命名為“Smart Charge”，提出了相關(guān)解決方案。進行了根據(jù)控制中心的指示使停車場內(nèi)的車輛自動行駛，以及使車輛在指定時間自動向指定場所移動的演示(圖7)。
自動行駛時使用監(jiān)視前后左右的4個攝像頭、檢測前方物體的激光雷達、提高位置精度的準天頂衛(wèi)星定位技術(shù)，以及內(nèi)置的地圖數(shù)據(jù)。
圖7：電裝演示可自動泊車和自動充電的系統(tǒng)“Smart Charge”。
在自動泊車方面，德國博世(Robert Bosch)正在推動實用化進程。使用該公司開發(fā)的系統(tǒng)時，在車輛進入停車場后，駕駛員可下車用智能手機等發(fā)送“開始自動泊車”的指示。為安全考慮，可在駕駛員現(xiàn)場守護的情況下使用。在掌握周圍情況時，主要使用歐洲廣泛使用的超聲波傳感器(聲納)。
另外，在解決錯位問題時，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。歷史長的圓形產(chǎn)品在成本等方面具有優(yōu)勢。而方形產(chǎn)品的優(yōu)勢則是對水平向錯位的容許量較大。
在行駛中實現(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。
這是因為，要想使電動車輛及其無線充電系統(tǒng)進入普及期，還必須要進一步提高電力傳輸效率并降低成本(圖8)。
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圖8：大眾EV“e-up!”在前蓋下的發(fā)動機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)省負責人表示：“要想使電動汽車(EV)及插電混合動力車(PHEV)普及，就必須要擴充充電基礎(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，還有一個市場將來有望實現(xiàn)大幅增長。這就是為行駛中的車輛充電(走行中充電)的系統(tǒng)。在行駛中實現(xiàn)充電，便可減小電動車輛配備的二次電池的容量，降低車輛成本，同時還可延長續(xù)航距離。
“100年后的汽車恐怕將不再依附于‘發(fā)動機’、‘電池’及‘快速充電’，而是要靠‘電機’、‘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)”——東京大學研究生院新領(lǐng)域創(chuàng)成科學研究科教授、日本汽車技術(shù)協(xié)會技術(shù)擔當理事堀洋一指出了為行駛中的無線充電系統(tǒng)實施新技術(shù)開發(fā)的重要性。
至于汽車無線充電系統(tǒng)的實用化，有很多日本研究人員在描述前景時表示：“目前還為時尚早，將在2020年東京奧運會時開始宣傳技術(shù)，力爭2030年前后實現(xiàn)普及。”也就是說，日本業(yè)界很可能會依據(jù)開發(fā)出來的技術(shù)在市場上確立優(yōu)勢地位。
但現(xiàn)在時間已經(jīng)不充裕了。日本汽車技術(shù)協(xié)會無線供電系統(tǒng)技術(shù)部門委員會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。”。
對日本構(gòu)成威脅的是韓國政府研究機構(gòu)韓國科學技術(shù)院(KAIST)。據(jù)橫井介紹，KAIST“正以今后5年內(nèi)為目標全力開發(fā)1MW級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)進行了高爾夫球車的實車行駛實驗，然后同年6月對大型巴士、同年7月對SUV(多功能運動車)進行了實車行駛實驗(圖9)。同年12月制造了4輛大型巴士，開始在研究所內(nèi)運行。
另外，KAIST還于2010年3月在首爾大公園內(nèi)的行駛線路上啟動了園內(nèi)移動用列車型EV的運營項目。在連接3輛，對合計19噸的“列車”進行牽引的EV上，配備了最大輸出功率為240kW的電機。配備鋰聚合物二次電池，容量為24.8kWh。最高時速為40km/h。在道路下面鋪滿了供電用的線圈，在總長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仍在推進開發(fā)。在2015年3月20日研討會上，KASIT核能與量子工程學教授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，也可實現(xiàn)超過80%的電力傳輸效率。”