劉洪 首發與非網
與非導語
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無線充電為無物理接觸的電動汽車提供充電解決方案，去掉充電頭會帶來一定的便利。但是，它的動力和效率是否足以為所有類型的車輛充電？需要哪些附加組件？商業化狀態如何？操作安全嗎？這些問題都需要給出答案。
2022年8月底，媒體爆出比亞迪與華為將聯手製造無線充電新車「星際」，有望成為第一個「無線充電的」新能源汽車。內部人士爆料說，該車定位高端越野SUV，定價估計在80-150萬之間，如果研發順利，最快將在2023年上半年問世。分析表明，這款車還是需要基礎設施的配合，也就是以下要講的技術和應用現狀。
根據IDTechEx最新報告《電動汽車無線充電市場2023-2033年技術、參與者和預測》預測，涵蓋無線電源傳輸、靜態和動態無線充電、低功率和高功率電平、地面組件（GA）和車輛組件（VA）的全球電動汽車無線充電市場，到2033年將達到64億美元。
要說電動汽車無線充電，先來看看當初被捧上天的手機無線充電，為什麼很少看到有人用呢？原因主要有三：一是無線充電器價格太貴；二是無線充電不如有線充電快；三是無線充電應用場景受限，不能隨意移動。
事實上，為了解決電動汽車充電的一些問題，不少廠商，包括車企已經開發一些解決方案，並已進入試驗階段。我們來看看這個市場發展到了什麼地步？
無線充解決「充電焦慮」？
圖源 | Ars Technica
插電式電動汽車充電的局限性可能為無線充電器創造機會：
從「充電焦慮」轉變為「充電時間損失」：充電期間的停機時間通常與運營收入直接相關；
最終用戶體驗有待改善：包括處理笨重的電纜、骯髒的連接器、錯誤的接口；
有限的可擴展性：插頭充電不容易隨著預計的全球電動汽車採用率而擴展，也不適合自主電動汽車；
視覺污染：充電站電纜裸露，城市景觀將不得不擁擠不堪。
電動汽車的主要成本就是電池，沃爾沃投資的無線充電公司Momentum Dynamics的商業總監John Holland說：「無線充電是經常性給車輛充電，這樣我們可以保持45%到75%的充電狀態（SOC），因此電池的使用方法要溫和得多。根據我們的研究和一些學術研究，有證據表明，與深循環充電方法相比，它可以使電池的預期壽命延長4.5倍。」
電池縮小的確可以節約成本，延長續航里程。IDTechEx研究發現，將電池縮小138 kWh（約為原始重量的一半），可以使每輛公交車的成本節約約55000美元，與上述案例的數據如出一轍。
「機會充電」的另一個好處是，當公交車以較高的電量狀態返回時，車場的高峰期充電會降低。另外，研究表明，白天為電動汽車補充電池電量可以避免電池在深度耗盡狀態下充電，從而延長電池壽命。眾所周知，淺次頻繁充電比深次不頻繁充電更能延長電池壽命。
鋰離子電池在使用過程中會退化。通宵或深循環放電會損壞電池，高C（充電倍率）速率會因產生的溫度而使電池性能下降。
使用多個安裝的地面充電板進行無線充電，可以採用淺層、頻繁的充電方案對電池充電，使電池在運行期間保持在45%-75%的最佳SOC。不過，更多的地面顯然需要更多的初始投資。
電動汽車無線充電原理
無線充電的基本原理是電磁感應，特別是諧振感應耦合，即當兩組線圈頻率相同時，就會發生耦合現象，能夠實現高效率的電力傳輸，現在的手機無線充電也是這個原理。
麻省理工學院（MIT）的研究人員提出的這種方法可以在諧振頻率（由線圈的分布電容、電阻和電感決定）相同的線圈之間傳輸功率。專利的「磁諧振」技術仍然是「感應式」的，因為初級線圈產生的振盪磁場在次級線圈中感應電流，但它利用了諧振線圈之間發生的強耦合，距離可達幾十厘米。
當感應充電系統使用諧振感應耦合時，發送器線圈和接收器線圈之間的距離可以更大，在每個感應線圈中添加一個電容器，可以創建具有特定諧振頻率的兩個諧振電路（LC電路）。在發射線圈中以該諧振頻率工作的交流電會產生波動磁場，該磁場在接收線圈中感應電流。通過這種方式，能量傳輸可以無線完成。
諧振無線充電解決了感應無線充電的主要缺點：需要緊密耦合線圈，用戶使用時要精準對齊。由於這些原因，使用磁諧振的充電解決方案將主導無線充電行業。
感應無線充電和諧振無線充電對比
幾種基準無線線圈設計
無線電動汽車充電市場現狀
發展了十多年之後，2020年，無線充電標準最終確定。隨著SAE J2954標準被認可用於消費型電動汽車，為該技術的廣泛採用帶來了潛力。該標準側重於相對低功率的充電系統，功率為3.3kW至11kW，最高使用22kW。這是為了給家裡或辦公室的汽車，或在倉庫過夜充電的輕型卡車進行靜態充電。
然而，安裝無線充電系統給車輛設計增加了額外成本，因為插入式充電頭已經是一個先決條件。安裝嵌入道路的無線充電板也會帶來額外成本，包括與電網的連接。行業分析認為，發展將繼續分為兩部分：一是關注低成本、低功率（低於22kW）充電器，以方便消費者使用；二是關注更強大的設備，以提供「機會充電」。專用道路動態充電將用於特定應用，穿梭車是一個早期機會。
標準的發布是一個非常重要的催化劑，許多車企一直在與其供應商合作，評估、開發和改進無線充電技術。早在2005年比亞迪就申請了非接觸感應式充電器專利，現代、一汽和比亞迪等公司已經開始為部分車型安裝無線充電硬體。
現代未來旗艦電動車型Ioniq 7將基於現代和起亞共同開發的e-GMP模塊化平台打造，其電氣系統將提供800V快充電壓，充電設備功率高達350kW，還可配備無線充電功能。
一汽從2014年開始研發無線充電技術，開發了3.3kW功能樣機、2021年底量產首發6.6kW整車裝車，下一步將開發22kW無線充電，計劃2024年量產。紅旗的下一步目標是打造國際領先、高功率、高安全、高智能無線充電車型。2022年，一汽實現了11kW無線充電投產，2023年將完成22kW無線充電的研發，2025年完成30kW的研發。
主流無線充電器廠商和產品
WiTricity和Momentum Dynamics是參與電動汽車行業無線充電解決方案開發和部署的主要廠商，其線圈拓撲之間的有一些主要差異。
另外，從功率方面看，以下無線充電廠商各有側重。
從廠商的基準測試來看，無線充電硬體供應商一直在推動以下的趨勢。
在TCO成本比較方面，主要考慮兩個指標：一是前期成本——設備成本+安裝成本；二是運行成本——維護成本+電費。在目前的小批量生產中，無線設備成本很高，維護成本可以忽略不計。如果未來需求量更大，設備成本將下降，但仍然是比較昂貴的選擇。
TCO比較顯示，無線充電設備的前期成本較高，由於效率損失，能源成本略高；車輛側增加了額外重量，對行駛里程和能源需求有一定影響。因此，在車輛壽命期內，此類低功率無線充電器的投資回報率不高。不過，製造商稱長期看設備價格會下降，有助於提高採用率。
在組件成本方面，平均而言，一個家庭使用的2級充電器價格不到1000美元；在工作或公共場所使用的DCFC價格在3000到5000美元。根據功率容量不同，DCFC價格從25000美元到200000美元不等。
雖然無線充電設備單位地面組件價格略高，但車輛成本也會增加，例如需要二次OBC和車上的額外線圈。據估計，根據功率水平，非車載充電器的成本在300美元至1000美元之間。
額外的設備成本意味著最初將針對高端細分市場。然而，在某些場景和車輛細分市場中，也有可能抵消成本。
無線動態充電技術已在歐洲的特定、有限路段道路基礎設施上進行了試驗，但沒有一個地方將其作為「正常營業」系統來實施。
在北美，國家實驗室和學術機構正在研究和探索WPT，美國的幾個州已經啟動了電動汽車無線充電試點項目，並希望將其應用於實際環境。密西根州交通部（MDOT）正在利用其中央創新區和最近選定的Electron產品來設計、評估、疊代、測試和實施試點項目，在底特律一英里長的公共道路路段上構建無線充電系統。
在車企方面，改裝沃爾沃XC40是動態充電項目之一。在將無線技術集成到車輛平台中。
在行業研發方面，目前已有高達11kW的固定充電設備，提供標準參考設計；更高功率和動態充電產品正在開發中。
寫在最後
圖源 | SlashGear
IDTechEx預計，無線充電的最大發展目標是提高功率和效率，同時降低總體系統成本。目前，與無線充電相比，插入式系統成本更低，充電速度更快。
電動汽車無線充電對於實現自主性也至關重要。大眾和現代展示了停車場安裝無線充電墊的概念。自動代客泊車可以讓汽車找到最近的停車點，並開始充電，無需任何人工干預。隨著2025年後生產量的增加，預計靜態無線充電裝置的成本也將降低。
以色列初創公司ElectReon正在開發和測試嵌入道路的無線充電，使車輛能夠在行駛中充電。該公司聲稱，這樣電池就可以更小，從而降低車輛的總體重量和成本。然而，電氣化道路的基礎設施非常昂貴，將其擴大到幾公里已是挑戰，目前只有一小部分道路上的車輛能夠受益。然而，隨著瑞典、德國、法國和義大利等歐洲國家雄心勃勃地將數千公里的公路電氣化，全球各地正在進行示範。
無線充電為無物理接觸的電動汽車提供充電解決方案，去掉充電頭會帶來一定的便利。但是，它的動力和效率是否足以為所有類型的車輛充電？需要哪些附加組件？商業化狀態如何？操作安全嗎？這些問題都需要給出答案。
如何充電和如何快速充電一直是車企發展電動汽車最棘手的問題。不管怎樣，無線電動汽車充電網絡是插入式充電解決方案的有益補充，有助於電動汽車的推廣。特斯拉、沃爾沃、奧迪、寶馬、奔馳等車企都已紛紛開始研發或測試無線充電系統，相信不久的將來，汽車無線充電將逐漸走入我們的生活。
有一點很重要，汽車無線充電將用到大量半導體器件、傳感器、大容量電容，特別是大功率半導體器件，也不排除碳化矽和氮化鎵。