電池研究院：紅警磁爆線圈與無(wú)線充電技術(shù)

　　【太平洋汽車網(wǎng) 技術(shù)頻道】眾所周知，修行尚淺的老僧無(wú)法“隔衣療傷”，傳授內(nèi)力更是只能通過(guò)肌膚接觸的方式傳功。

　　與武俠世界中相似的是，現(xiàn)實(shí)生活中的接觸式能量傳輸之效率同樣遠(yuǎn)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(wú)一用的宗教圣器。

　　無(wú)線充電技術(shù)（Wireless Charging Technology）是一種電能隔空傳輸?shù)募夹g(shù)，能量傳輸方式類似中國(guó)古典物理攻擊中的“隔山打牛”。

　　將無(wú)線輸電技術(shù)帶到人間的先驅(qū)是塞爾維亞美籍物理學(xué)家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）。

　　早在1891年，特斯拉發(fā)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(shuō)，他成了雷神索爾的現(xiàn)代化身。

　　1893年芝加哥世博會(huì)，也即是哥倫比亞世界博覽會(huì)(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(wú)線傳輸電能的磷光照明燈。

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

　　很多人都玩過(guò)《紅色警戒》，蘇聯(lián)陣營(yíng)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(shè)定中的盟軍光棱塔是愛因斯坦發(fā)明的，這在歷史上純粹算瞎扯；但磁爆線圈的確是特斯拉發(fā)明的，這位隔空輸電技術(shù)鼻祖如假包換。

　　可見，不能無(wú)線充電的特斯拉電動(dòng)汽車并非正品。（誤）

　　1903年7月的數(shù)個(gè)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(diǎn)亮了天空。

　　不過(guò)由于沃登克里弗塔的電能傳輸指向性很差，所以無(wú)法像《紅警》當(dāng)中那樣直接指向敵軍單位進(jìn)行物理攻擊，更別談通過(guò)磁爆步兵進(jìn)行威力加強(qiáng)了。

　　據(jù)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(zhèn)的電網(wǎng)給劈廢了……

　　往后的1968年，衛(wèi)星太陽(yáng)能電站（Satellite Solar Power Station）之概念在美國(guó)提出，不過(guò)實(shí)現(xiàn)難度太大。

　　1996年，日本任天堂《寶可夢(mèng)》主角比卡丘誕生，將電能隔空傳輸技術(shù)帶到動(dòng)漫行業(yè)。

　　雖然無(wú)線充電看起來(lái)都一樣，但主要分為4種實(shí)現(xiàn)方式，以下數(shù)據(jù)主要來(lái)自“電子發(fā)燒友網(wǎng)”的大神：

　　電磁感應(yīng)式的無(wú)線充電原理在高中課本講過(guò)，就是初級(jí)線圈給次級(jí)線圈“布道”傳功，現(xiàn)在我們用的最多的手機(jī)無(wú)線充電就是用的這個(gè)原理，電能傳輸效率比較高，但傳輸距離很近。

　　磁場(chǎng)共振式無(wú)線充電儀器會(huì)將收/發(fā)兩套裝置的頻率調(diào)到一個(gè)固定頻率上共振，進(jìn)而彼此交換能量。

　　通過(guò)增加發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的線圈尺寸與數(shù)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(jí)，現(xiàn)在逐漸邁向km級(jí)，不過(guò)傳輸效率比較低。2007年麻省理工學(xué)院物理學(xué)教授 Marin Marin Soljacic做了一個(gè)2m距離的無(wú)線輸能試驗(yàn)，結(jié)果效率只有40%。

　　無(wú)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(shuō)要量產(chǎn)化隔空充電裝置，不過(guò)大家聽聽就算了……這種無(wú)線充電方式的距離很長(zhǎng)，但能量轉(zhuǎn)換效率很低，而且還得讓發(fā)射器有主動(dòng)定位功能（相控陣?yán)走_(dá)了解一下），你猜成本能降下來(lái)嗎？

　　耦合的英文是Coupling，換個(gè)流行的腦殘簡(jiǎn)寫就是CP……

　　電容耦合就是讓初級(jí)和次級(jí)電路中的電容進(jìn)行無(wú)線關(guān)聯(lián)，利用磁場(chǎng)感應(yīng)讓電能在不同結(jié)點(diǎn)之間傳輸，優(yōu)勢(shì)是發(fā)熱量很小，而且對(duì)準(zhǔn)要求比較低，非強(qiáng)迫癥用戶絕對(duì)會(huì)點(diǎn)贊。

　　無(wú)線充電設(shè)備的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，恰好太平洋汽車網(wǎng)的隔壁就是太平洋電腦網(wǎng)，我們兄弟部門有一組無(wú)線充電器的圖片可以直觀給到大家了解。

　　平時(shí)手機(jī)用的無(wú)線充電器/無(wú)線充電寶基本都是這種結(jié)構(gòu)，屬于電能的發(fā)射端，下圖是主控芯片，這里提到的Qi標(biāo)準(zhǔn)會(huì)在后文再次提起。

　　下圖是初級(jí)線圈，發(fā)射電能信號(hào)用的，繞組尺寸很小，標(biāo)稱的無(wú)線輸出功率只有5W，用來(lái)看高清視頻的話可能充電速度低于放電速度……

　　接下來(lái)就是無(wú)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(jià)格便宜些。

　　無(wú)線充電設(shè)備的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化理解，就是下面的課本配圖，電能經(jīng)由發(fā)射電路到達(dá)接收電路。

　　目前無(wú)線充電產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)被智能手機(jī)逐漸培養(yǎng)起來(lái)了，因此汽車的無(wú)線充電不再是海市蜃樓而已，不是偽需求，未來(lái)依然有機(jī)會(huì)。

　　無(wú)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(jié)構(gòu)耗能：通過(guò)發(fā)射與接收兩組元器件。

　　b、芯片耗能：發(fā)射端和接收端的芯片。

　　c、線圈耗能：發(fā)射與接收線圈本身有內(nèi)阻，大功率輸電時(shí)發(fā)熱明顯。

　　d、傳輸損失：隔空傳輸，跑掉的散兵游勇太多。

　　e、設(shè)計(jì)損失：比如發(fā)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(wú)線充電傳輸效率在80%左右，實(shí)際上根本達(dá)不到。

　　如今電動(dòng)牙刷應(yīng)該是性價(jià)比最高的無(wú)線充電設(shè)備了，100-200元就可以買到個(gè)主流品牌的入門款。

　　因?yàn)橐龅饺矸浪?，?jīng)常拆裝機(jī)身的話比較容易破壞防水結(jié)構(gòu)，所以多數(shù)電動(dòng)牙刷都做成了無(wú)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(jīng)常充電。

　　因?yàn)檠浪⒌氖褂妙l率是一天兩次，中間隔著十幾個(gè)小時(shí)，無(wú)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(wèn)題。

　　智能手機(jī)的無(wú)線充電功能被消費(fèi)者逼著做出來(lái)的。進(jìn)入智能手機(jī)時(shí)代之后，巨大的手機(jī)屏幕與運(yùn)算效率驚人的芯片，讓現(xiàn)在手機(jī)的耗電量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于九宮格板磚，結(jié)果鋰離子電池跟不上了……

　　因?yàn)樘O果的不可換電設(shè)計(jì)開了一個(gè)壞頭，一天一充，甚至一天兩充，是目前智能手機(jī)用戶的常態(tài)。為了提升充電功率縮短充電時(shí)間，我就比較喜歡用電腦的65W Type-C充電器給智能手機(jī)充電……

　　無(wú)線充電裝置目前已經(jīng)變得非常便宜，二三線副牌隨便幾十塊就能買到一個(gè)。此前只有7-10W，目前量產(chǎn)化、實(shí)用化的無(wú)線充電功率已經(jīng)到達(dá)20W左右了。

　　解決了無(wú)線充電時(shí)不能玩手機(jī)的問(wèn)題。對(duì)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(gè)圓盤，直接用祖?zhèn)魑甯Ｒ话惨膊畈涣颂?hellip;…

　　實(shí)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(hù)殼會(huì)影響充電功率，又回到五福一安的石器時(shí)代。

　　以后iPhone是不是要取消充電插口了……（又能賺到一大筆獨(dú)家外設(shè)費(fèi)用）

　　2017年7月，戴爾發(fā)布了Latitude 7285無(wú)線充電筆記本，無(wú)線充電方式為WiTricity提供的磁共振式，技術(shù)源頭是麻省理工學(xué)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(shí)研發(fā)著汽車無(wú)線充電技術(shù)，是AirFuel聯(lián)盟的成員。

　　終于回到汽車動(dòng)力電池的無(wú)線充電這個(gè)主要話題上面來(lái)。

　　由于動(dòng)力電池的容量實(shí)在太大了，無(wú)線充電設(shè)備的傳輸功率實(shí)在太低，這是一對(duì)天生的矛盾，因此是無(wú)線充電行業(yè)的終極話題。

　　相比當(dāng)前有線方案，無(wú)線充電本身的優(yōu)勢(shì)并不明顯，除非配合自動(dòng)泊車技術(shù)，還得是L4級(jí)別的才行。之前Marvel X吹過(guò)要做自動(dòng)泊車+無(wú)線充電的方案，結(jié)果牛吹出去了過(guò)了三年還沒實(shí)現(xiàn)。

　　L4自動(dòng)駕駛技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于人可以到車外，讓車子自己去找車位和無(wú)線充電板，這樣子可以節(jié)省駕駛者的時(shí)間，相當(dāng)于古時(shí)候長(zhǎng)途騎馬之后，把馬放到草地上吃草補(bǔ)充續(xù)航。

　　另一種方案則是在固定路線預(yù)埋無(wú)線充電板，對(duì)商用車輛進(jìn)行無(wú)線充電，這樣子可以提升資源利用效率，才有可能在商業(yè)上得到良性循環(huán)。問(wèn)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(lǐng)域，無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)一共有4個(gè)巨頭，最出名的是無(wú)線充電聯(lián)盟WPC推出的Qi標(biāo)準(zhǔn)（剛剛那個(gè)無(wú)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(wú)線充電行業(yè)聯(lián)盟（AirFuel Alliance），翻譯跟前者基本一致；最后一家就是什么外設(shè)錢都想自己賺的蘋果。

　　在新能源汽車領(lǐng)域，目前無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)比較繁雜，我們舉兩大巨頭的例子：一個(gè)是美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)SAE發(fā)布的TIR J2954，據(jù)稱能量傳輸效率最高可達(dá)85%（目前技術(shù)條件下是空中樓閣），設(shè)有四個(gè)功率級(jí)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(gè)是中國(guó)電力科學(xué)研究院（CEPRI），中國(guó)汽車技術(shù)與研究中心（CATARC）、中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)（CEC）與前文提到的WiTricity公司合作之成果，中國(guó)國(guó)標(biāo)GB/T 38775《電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)》。

　　國(guó)標(biāo)的前4種功率跟SAE標(biāo)準(zhǔn)是一致的，后面還有WPT5-7，其中WPT7的充電功率大于66kW，對(duì)于有線充電而言都算得上快充。 

　　回應(yīng)“手機(jī)無(wú)線充電如此普及，為什么汽車無(wú)線充電無(wú)法實(shí)現(xiàn)？”這個(gè)靈魂拷問(wèn)時(shí)，我們就可以用一句神回復(fù)——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(xiàng)技術(shù)量產(chǎn)之路上的最大難題。

　　早在2013年，沃爾沃就對(duì)外公布了一下無(wú)線充電技術(shù)，但這個(gè)項(xiàng)目并未持續(xù)下去。

　　一方面是因?yàn)闊o(wú)線充電太慢，動(dòng)力電池容量太大，他們的測(cè)試車是一臺(tái)電動(dòng)版的沃爾沃C30；另一方面則是沃爾沃的電動(dòng)汽車項(xiàng)目太緩慢了，他們當(dāng)時(shí)的注意力在Drive-E模塊化動(dòng)力總成之上。

　　2014年輪到豐田發(fā)力無(wú)線充電技術(shù)，他們還針對(duì)性地優(yōu)化了自動(dòng)駕駛技術(shù)，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(shè)計(jì)了一款無(wú)線充電系統(tǒng)，賣當(dāng)時(shí)的2500美元，也就是1.6萬(wàn)人民幣左右。

　　據(jù)稱最大充電功率可以達(dá)到7.2kW，問(wèn)題是他們并未詳細(xì)介紹如何改裝特斯拉車載充電機(jī)來(lái)接受能量。

　　目前Evatran官方上對(duì)他們產(chǎn)品的描述依然有點(diǎn)虛……

　　2016年，戴姆勒集團(tuán)就曾透露要在當(dāng)時(shí)的梅賽德斯-奔馳S550e plug-in hybrid插電式混合動(dòng)力版（W222）上面配備一套無(wú)線充電系統(tǒng)。（問(wèn)題來(lái)了：無(wú)線充電版本的S級(jí)是否還叫“plug-in”呢？）

　　當(dāng)時(shí)筆者寫的新聞是這樣的：如無(wú)插隊(duì)的黑馬，奔馳S級(jí)將成為全球首個(gè)可選裝無(wú)線充電系統(tǒng)的車系。

　　結(jié)果到現(xiàn)在來(lái)看，S級(jí)都換W223世代了，還沒有插隊(duì)的黑馬出現(xiàn)……

　　戴姆勒集團(tuán)當(dāng)時(shí)準(zhǔn)備在S級(jí)的底盤下安裝一組大大的次級(jí)線圈，接收埋藏于地底下的初級(jí)線圈中的能量，據(jù)稱能量轉(zhuǎn)化率超過(guò)90%。

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

　　奔馳正準(zhǔn)備列裝的無(wú)線充電技術(shù)，使用了SAE TIR J2954無(wú)線功率傳輸標(biāo)準(zhǔn)，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(chǎn)2017年對(duì)外公布了一項(xiàng)無(wú)線充電技術(shù)，跟WiTricity一起玩的。本來(lái)計(jì)劃用在第二代；聆風(fēng)（Leaf）之上，不過(guò)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(wú)線充電技術(shù)，不過(guò)這款無(wú)線充電技術(shù)在今年還沒真正量產(chǎn)化。

　　奧迪稱之為AWC (Audi wireless charging)，第一代系統(tǒng)的充電功率只有3.6kW（也就是現(xiàn)在家用掛壁樁的一半），還沒量產(chǎn)的第二代已經(jīng)能做到11kW，據(jù)稱電能傳輸效率高達(dá)效率是90%，當(dāng)前

　　先來(lái)看一下Audi A8 L e-tron無(wú)線充電的炫酷宣傳視頻，這是奧迪第一款無(wú)線充電車，無(wú)線充電的功率為3.6KW， 當(dāng)然前提是車輛充電機(jī)與無(wú)線充電裝置得靠得足夠近，這就要求充電裝置主動(dòng)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(wú)線充電技術(shù)，而寶馬與奔馳在技術(shù)上是有通用性的，因?yàn)榇饲斑@兩家巨頭合資（眾籌）開展了無(wú)線充電相關(guān)的技術(shù)研發(fā)工作。（嘿，每次都沒奧迪份兒）

　　SAE的TIR J2954標(biāo)準(zhǔn)傾向于給插混車供電，因?yàn)楣β蕦?shí)在太低了，滿足不了純電動(dòng)車的大胃口。

　　這臺(tái)搭載無(wú)線重點(diǎn)技術(shù)的530e只有9.4kWh的動(dòng)力電池，有線充電時(shí)長(zhǎng)3.0小時(shí)，3.2kW下的無(wú)線充電時(shí)長(zhǎng)3.5小時(shí)，也算是很爭(zhēng)氣。

　　保時(shí)捷2018年發(fā)布的Mission E Cross Turismo概念車上就有無(wú)線充電技術(shù)的相關(guān)描述，不過(guò)在量產(chǎn)車Taycan之上并未得到呈現(xiàn)。

　　功率參數(shù)？只有中央扶手箱里頭的手機(jī)無(wú)線充電設(shè)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(fēng)聲的現(xiàn)代企業(yè)。

　　除了汽車廠商，還有相當(dāng)一部分供應(yīng)商也在研發(fā)車用無(wú)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(jìn)軍汽車領(lǐng)域的話，沒點(diǎn)革命性的技術(shù)可玩不成。

　　這是我們見過(guò)最詭異的充電槍了，像一條蛇，上下扭動(dòng)，自動(dòng)找到充電口插進(jìn)去……

　　何止是猥瑣，簡(jiǎn)直是猥瑣！

　　這種方式如果能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的話，其實(shí)也就沒無(wú)線充電什么事了。

　　動(dòng)態(tài)無(wú)線充電（Dynamic Wireless Charging）是一種更高階的無(wú)線充電方式，比“對(duì)準(zhǔn)要求”特別高的靜態(tài)無(wú)線充電方式要難很多。

　　簡(jiǎn)單解釋就是，路面下方鋪設(shè)有非常多的初次線圈，車子一路跑一路充，不斷對(duì)接下一個(gè)線圈。

　　鑒于汽車移動(dòng)速度這么快，估計(jì)充電效率會(huì)低到可怕，白白向空中發(fā)射這么多電能。

　　小米不久前發(fā)布了隔空充電技術(shù)，用144個(gè)天線構(gòu)成的相位控制陣列（相控陣?yán)走_(dá)），將電能通過(guò)毫米波發(fā)射給手機(jī)充電。

　　考慮到功率只有5W，能量傳輸效率這么低，而且還會(huì)被障礙物遮擋，再大功率的隔空充電則會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生傷害，因此筆者并不看好這項(xiàng)技術(shù)。

　　那個(gè)……

　　實(shí)際上系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)找最高充電功率的那個(gè)用著，也就是使用有線充電，無(wú)線屏蔽工作。

　　電池主要怕幾樣?xùn)|西，我們一個(gè)個(gè)數(shù)：

　　a、怕熱：如果散熱不佳，的確會(huì)有鋰枝晶生長(zhǎng)加速、電池短路自燃的風(fēng)險(xiǎn)。

　　b、怕冷：充電不會(huì)使電池變冷，這條過(guò)。

　　c、怕穿刺：說(shuō)好了無(wú)線，沒穿刺，這條過(guò)。

　　d、怕振動(dòng)：說(shuō)好了無(wú)線，沒振動(dòng)，這條過(guò)。

　　e、怕擠壓：說(shuō)好了無(wú)線，沒擠壓，這條過(guò)。

　　f、怕快充：目前無(wú)線充電功率不佳，沒過(guò)分擔(dān)心了，這條過(guò)。

　　g、拍改裝：你有能力改無(wú)線充電設(shè)備？有的話可以直接去特斯拉投簡(jiǎn)歷。

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

　　國(guó)標(biāo)GB/38775對(duì)無(wú)線充電的電磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行了規(guī)范，確保對(duì)人體沒有傷害，前提是消費(fèi)者必須買到符合國(guó)標(biāo)的認(rèn)證產(chǎn)品。

　　P.S. 

　　職業(yè)曝露：個(gè)人因從事固定或指定的職業(yè)活動(dòng)而受到的所有電磁場(chǎng)曝露。在接受適當(dāng)?shù)闹甘竞团嘤?xùn)的條件下，工作者已知且自愿經(jīng)歷電磁場(chǎng)的影響。

　　公眾曝露：公眾受到的所有電磁場(chǎng)曝露，不包括職業(yè)曝露和醫(yī)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(chǎng)。

　　國(guó)標(biāo)進(jìn)行了保護(hù)區(qū)域的劃定，此外還對(duì)充電板的強(qiáng)度進(jìn)行了規(guī)范，免得一些低質(zhì)量充電板被車輪碾壓多幾次就損壞漏電，畢竟無(wú)線充電設(shè)備發(fā)射端最高的輸出電壓可以達(dá)到1500V AC這么可怕。

　　充電板（發(fā)射裝置）的安裝方式分為兩種，地埋式抗損能力強(qiáng)一些，下方的地上安裝方式就得更多地考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固程度了。

　　a、不用抬那根死重的充電線纜，機(jī)械損耗也少了（無(wú)機(jī)械連接）。

　　b、充電場(chǎng)景更靈活，配合自動(dòng)泊車技術(shù)使用更佳。

　　c、更少過(guò)充過(guò)放的可能性，提升電池循環(huán)壽命。

　　a、能量損耗，造成浪費(fèi)。

　　b、充電速度慢。

　　c、成本太高，車載充電機(jī)、自動(dòng)駕駛技術(shù)、充電地坑、無(wú)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(wú)線充電配套設(shè)施之后，車重增加，續(xù)航降低。

　　e、對(duì)準(zhǔn)要求高

（圖/文/攝：太平洋汽車網(wǎng) 黃恒樂(lè)）