电池研究院：红警磁爆线圈与无线充电技术

　　【太平洋汽车网 技术频道】众所周知，修行尚浅的老僧无法“隔衣疗伤”，传授内力更是只能通过肌肤接触的方式传功。

　　与武侠世界中相似的是，现实生活中的接触式能量传输之效率同样远高于隔空传输，听到这就连水果铁粉都想把贵上天的Magsafe磁贴定义为百无一用的宗教圣器。

　　无线充电技术（Wireless Charging Technology）是一种电能隔空传输的技术，能量传输方式类似中国古典物理攻击中的“隔山打牛”。

　　将无线输电技术带到人间的先驱是塞尔维亚美籍物理学家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）。

　　早在1891年，特斯拉发明了“特斯拉线圈”（Tesla Coil），能制造出特别炫目的人工闪电。从某种意义上说，他成了雷神索尔的现代化身。

　　1893年芝加哥世博会，也即是哥伦比亚世界博览会(The World's Columbian Exposition)之上，特斯拉在电力馆中展示了他的特斯拉线圈，以及无线传输电能的磷光照明灯。

　　1901年，特斯拉在纽约长岛建了一座57米高的沃登克里弗塔（Wardenclyffe Tower），用作无线电能传输实验。

　　很多人都玩过《红色警戒》，苏联阵营的高端防御塔叫“磁爆线圈”，别称就是“特斯拉线圈”，能用磁爆步兵增加威力的那款。游戏设定中的盟军光棱塔是爱因斯坦发明的，这在历史上纯粹算瞎扯；但磁爆线圈的确是特斯拉发明的，这位隔空输电技术鼻祖如假包换。

　　可见，不能无线充电的特斯拉电动汽车并非正品。（误）

　　1903年7月的数个夜晚，雷神索尔，哦不，鬼才特斯拉使用沃登克里弗塔制造几百英里半径范围的人造闪电，点亮了天空。

　　不过由于沃登克里弗塔的电能传输指向性很差，所以无法像《红警》当中那样直接指向敌军单位进行物理攻击，更别谈通过磁爆步兵进行威力加强了。

　　据称沃登克里弗塔能将人工闪电打到40公里外，有一次还将某座小镇的电网给劈废了……

　　往后的1968年，卫星太阳能电站（Satellite Solar Power Station）之概念在美国提出，不过实现难度太大。

　　1996年，日本任天堂《宝可梦》主角比卡丘诞生，将电能隔空传输技术带到动漫行业。

　　虽然无线充电看起来都一样，但主要分为4种实现方式，以下数据主要来自“电子发烧友网”的大神：

　　电磁感应式的无线充电原理在高中课本讲过，就是初级线圈给次级线圈“布道”传功，现在我们用的最多的手机无线充电就是用的这个原理，电能传输效率比较高，但传输距离很近。

　　磁场共振式无线充电仪器会将收/发两套装置的频率调到一个固定频率上共振，进而彼此交换能量。

　　通过增加发射机和接收机的线圈尺寸与数量，充电功率与距离都可以不断增加。此前传输距离只有cm级，现在逐渐迈向km级，不过传输效率比较低。2007年麻省理工学院物理学教授 Marin Marin Soljacic做了一个2m距离的无线输能试验，结果效率只有40%。

　　无线电波式最好理解，就是wifi的意思。小米雷军之前就在微博放炮说要量产化隔空充电装置，不过大家听听就算了……这种无线充电方式的距离很长，但能量转换效率很低，而且还得让发射器有主动定位功能（相控阵雷达了解一下），你猜成本能降下来吗？

　　耦合的英文是Coupling，换个流行的脑残简写就是CP……

　　电容耦合就是让初级和次级电路中的电容进行无线关联，利用磁场感应让电能在不同结点之间传输，优势是发热量很小，而且对准要求比较低，非强迫症用户绝对会点赞。

　　无线充电设备的结构并不复杂，恰好太平洋汽车网的隔壁就是太平洋电脑网，我们兄弟部门有一组无线充电器的图片可以直观给到大家了解。

　　平时手机用的无线充电器/无线充电宝基本都是这种结构，属于电能的发射端，下图是主控芯片，这里提到的Qi标准会在后文再次提起。

　　下图是初级线圈，发射电能信号用的，绕组尺寸很小，标称的无线输出功率只有5W，用来看高清视频的话可能充电速度低于放电速度……

　　接下来就是无线充电宝的四颗18650电芯（直流电），去掉电芯就是更纯粹的充电板（交流电变直流电），价格便宜些。

　　无线充电设备的结构简化理解，就是下面的课本配图，电能经由发射电路到达接收电路。

　　目前无线充电产业链已经被智能手机逐渐培养起来了，因此汽车的无线充电不再是海市蜃楼而已，不是伪需求，未来依然有机会。

　　无线充电的效率被有线充电吊打是正常操作，毕竟前者涉及的元器件更多，可以损耗能量的地方更多：

　　a、结构耗能：通过发射与接收两组元器件。

　　b、芯片耗能：发射端和接收端的芯片。

　　c、线圈耗能：发射与接收线圈本身有内阻，大功率输电时发热明显。

　　d、传输损失：隔空传输，跑掉的散兵游勇太多。

　　e、设计损失：比如发射端开始了，接收端还没开始，能量就跑了。

　　目前，理论上最高的无线充电传输效率在80%左右，实际上根本达不到。

　　如今电动牙刷应该是性价比最高的无线充电设备了，100-200元就可以买到个主流品牌的入门款。

　　因为要做到全身防水，经常拆装机身的话比较容易破坏防水结构，所以多数电动牙刷都做成了无线充电的样式。电池一般是17500或者18650之类的，直径太大的话不好握，直径太小的话又要经常充电。

　　因为牙刷的使用频率是一天两次，中间隔着十几个小时，无论你是睡前刷完牙放到底座上充电，还是起床后刷完牙放到底座上充电，都能保证基本充满，孱弱的充电效率根本不是问题。

　　智能手机的无线充电功能被消费者逼着做出来的。进入智能手机时代之后，巨大的手机屏幕与运算效率惊人的芯片，让现在手机的耗电量远远高于九宫格板砖，结果锂离子电池跟不上了……

　　因为苹果的不可换电设计开了一个坏头，一天一充，甚至一天两充，是目前智能手机用户的常态。为了提升充电功率缩短充电时间，我就比较喜欢用电脑的65W Type-C充电器给智能手机充电……

　　无线充电装置目前已经变得非常便宜，二三线副牌随便几十块就能买到一个。此前只有7-10W，目前量产化、实用化的无线充电功率已经到达20W左右了。

　　解决了无线充电时不能玩手机的问题。对了，为什么要花这329多块呢？（这还没算149元的20W充电头）况且还得端着这么大个圆盘，直接用祖传五福一安也差不了太多……

　　实际充电功率只有10-15W左右，跟三年前买的废旧小米充电宝差不多。如果使用第三方保护壳会影响充电功率，又回到五福一安的石器时代。

　　以后iPhone是不是要取消充电插口了……（又能赚到一大笔独家外设费用）

　　2017年7月，戴尔发布了Latitude 7285无线充电笔记本，无线充电方式为WiTricity提供的磁共振式，技术源头是麻省理工学院（MIT），最高充电功率可以去到30W。

　　这家位于马萨诸塞州的WiTricity公司同时研发着汽车无线充电技术，是AirFuel联盟的成员。

　　终于回到汽车动力电池的无线充电这个主要话题上面来。

　　由于动力电池的容量实在太大了，无线充电设备的传输功率实在太低，这是一对天生的矛盾，因此是无线充电行业的终极话题。

　　相比当前有线方案，无线充电本身的优势并不明显，除非配合自动泊车技术，还得是L4级别的才行。之前Marvel X吹过要做自动泊车+无线充电的方案，结果牛吹出去了过了三年还没实现。

　　L4自动驾驶技术的优势在于人可以到车外，让车子自己去找车位和无线充电板，这样子可以节省驾驶者的时间，相当于古时候长途骑马之后，把马放到草地上吃草补充续航。

　　另一种方案则是在固定路线预埋无线充电板，对商用车辆进行无线充电，这样子可以提升资源利用效率，才有可能在商业上得到良性循环。问题是，既然是固定线路，直接用有线不更便宜更快速吗？又是脱裤子XX。

　　在3C电子领域，无线充电标准一共有4个巨头，最出名的是无线充电联盟WPC推出的Qi标准（刚刚那个无线充电宝为例）；此外Alliance for Wireless Power（A4WP）与Power Matters Alliance（PMA）在2017年合并为一家无线充电行业联盟（AirFuel Alliance），翻译跟前者基本一致；最后一家就是什么外设钱都想自己赚的苹果。

　　在新能源汽车领域，目前无线充电标准比较繁杂，我们举两大巨头的例子：一个是美国汽车工程师学会SAE发布的TIR J2954，据称能量传输效率最高可达85%（目前技术条件下是空中楼阁），设有四个功率级别，分别是3.7kW (WPT1)、7.7kW (WPT2)、11kW (WPT3)、22kW (WPT4)。目前正在玩的是WPT1和WPT2。

　　另一个是中国电力科学研究院（CEPRI），中国汽车技术与研究中心（CATARC）、中国电力企业联合会（CEC）与前文提到的WiTricity公司合作之成果，中国国标GB/T 38775《电动汽车无线充电系统》。

　　国标的前4种功率跟SAE标准是一致的，后面还有WPT5-7，其中WPT7的充电功率大于66kW，对于有线充电而言都算得上快充。 

　　回应“手机无线充电如此普及，为什么汽车无线充电无法实现？”这个灵魂拷问时，我们就可以用一句神回复——抛开剂量谈毒性都是耍流氓。

　　新能源汽车的电池容量太高了，成为了这项技术量产之路上的最大难题。

　　早在2013年，沃尔沃就对外公布了一下无线充电技术，但这个项目并未持续下去。

　　一方面是因为无线充电太慢，动力电池容量太大，他们的测试车是一台电动版的沃尔沃C30；另一方面则是沃尔沃的电动汽车项目太缓慢了，他们当时的注意力在Drive-E模块化动力总成之上。

　　2014年轮到丰田发力无线充电技术，他们还针对性地优化了自动驾驶技术，让两种鸡肋的玩意合体变成可用的。

　　2016年，一家叫Evatran的公司专门给特斯拉Model S设计了一款无线充电系统，卖当时的2500美元，也就是1.6万人民币左右。

　　据称最大充电功率可以达到7.2kW，问题是他们并未详细介绍如何改装特斯拉车载充电机来接受能量。

　　目前Evatran官方上对他们产品的描述依然有点虚……

　　2016年，戴姆勒集团就曾透露要在当时的梅赛德斯-奔驰S550e plug-in hybrid插电式混合动力版（W222）上面配备一套无线充电系统。（问题来了：无线充电版本的S级是否还叫“plug-in”呢？）

　　当时笔者写的新闻是这样的：如无插队的黑马，奔驰S级将成为全球首个可选装无线充电系统的车系。

　　结果到现在来看，S级都换W223世代了，还没有插队的黑马出现……

　　戴姆勒集团当时准备在S级的底盘下安装一组大大的次级线圈，接收埋藏于地底下的初级线圈中的能量，据称能量转化率超过90%。

　　于此同时，奔驰S550e plug-in hybrid的电池组容量将增加55%至13.5kWh，以获得更长的纯电续航里程。

　　奔驰正准备列装的无线充电技术，使用了SAE TIR J2954无线功率传输标准，至于奔驰将采用哪种充电功率的版本，至今仍未见分晓……

　　日产2017年对外公布了一项无线充电技术，跟WiTricity一起玩的。本来计划用在第二代；聆风（Leaf）之上，不过最终没玩成。

　　D5世代（第四代）的奥迪A8 e-tron，在2017年就展示了无线充电技术，不过这款无线充电技术在今年还没真正量产化。

　　奥迪称之为AWC (Audi wireless charging)，第一代系统的充电功率只有3.6kW（也就是现在家用挂壁桩的一半），还没量产的第二代已经能做到11kW，据称电能传输效率高达效率是90%，当前

　　先来看一下Audi A8 L e-tron无线充电的炫酷宣传视频，这是奥迪第一款无线充电车，无线充电的功率为3.6KW， 当然前提是车辆充电机与无线充电装置得靠得足够近，这就要求充电装置主动抬升到指定位置了。

　　宝马此前在2018款530e插混车型上展示了自家的BMW Wireless Charging 无线充电技术，而宝马与奔驰在技术上是有通用性的，因为此前这两家巨头合资（众筹）开展了无线充电相关的技术研发工作。（嘿，每次都没奥迪份儿）

　　SAE的TIR J2954标准倾向于给插混车供电，因为功率实在太低了，满足不了纯电动车的大胃口。

　　这台搭载无线重点技术的530e只有9.4kWh的动力电池，有线充电时长3.0小时，3.2kW下的无线充电时长3.5小时，也算是很争气。

　　保时捷2018年发布的Mission E Cross Turismo概念车上就有无线充电技术的相关描述，不过在量产车Taycan之上并未得到呈现。

　　功率参数？只有中央扶手箱里头的手机无线充电设备功率公布了……

　　除了上面8家主要车企，还有刚刚我们提到的荣威，以及只放了风声的现代企业。

　　除了汽车厂商，还有相当一部分供应商也在研发车用无线充电装置，比如高通、中兴、西门子等等。华为和小米？我猜他们要进军汽车领域的话，没点革命性的技术可玩不成。

　　这是我们见过最诡异的充电枪了，像一条蛇，上下扭动，自动找到充电口插进去……

　　何止是猥琐，简直是猥琐！

　　这种方式如果能实现量产的话，其实也就没无线充电什么事了。

　　动态无线充电（Dynamic Wireless Charging）是一种更高阶的无线充电方式，比“对准要求”特别高的静态无线充电方式要难很多。

　　简单解释就是，路面下方铺设有非常多的初次线圈，车子一路跑一路充，不断对接下一个线圈。

　　鉴于汽车移动速度这么快，估计充电效率会低到可怕，白白向空中发射这么多电能。

　　小米不久前发布了隔空充电技术，用144个天线构成的相位控制阵列（相控阵雷达），将电能通过毫米波发射给手机充电。

　　考虑到功率只有5W，能量传输效率这么低，而且还会被障碍物遮挡，再大功率的隔空充电则会对人体产生伤害，因此笔者并不看好这项技术。

　　那个……

　　实际上系统会自动找最高充电功率的那个用着，也就是使用有线充电，无线屏蔽工作。

　　电池主要怕几样东西，我们一个个数：

　　a、怕热：如果散热不佳，的确会有锂枝晶生长加速、电池短路自燃的风险。

　　b、怕冷：充电不会使电池变冷，这条过。

　　c、怕穿刺：说好了无线，没穿刺，这条过。

　　d、怕振动：说好了无线，没振动，这条过。

　　e、怕挤压：说好了无线，没挤压，这条过。

　　f、怕快充：目前无线充电功率不佳，没过分担心了，这条过。

　　g、拍改装：你有能力改无线充电设备？有的话可以直接去特斯拉投简历。

　　h、拍过充过放：随放随充，功率还小，反而没那么容易过充过放，锂枝晶生成/电池容量损失的可能性降低。

　　国标GB/38775对无线充电的电磁场强度进行了规范，确保对人体没有伤害，前提是消费者必须买到符合国标的认证产品。

　　P.S. 

　　职业曝露：个人因从事固定或指定的职业活动而受到的所有电磁场曝露。在接受适当的指示和培训的条件下，工作者已知且自愿经历电磁场的影响。

　　公众曝露：公众受到的所有电磁场曝露，不包括职业曝露和医疗曝露。一般情况下，公众是在不知情的状况下曝露于电磁场。

　　国标进行了保护区域的划定，此外还对充电板的强度进行了规范，免得一些低质量充电板被车轮碾压多几次就损坏漏电，毕竟无线充电设备发射端最高的输出电压可以达到1500V AC这么可怕。

　　充电板（发射装置）的安装方式分为两种，地埋式抗损能力强一些，下方的地上安装方式就得更多地考虑机械结构的稳固程度了。

　　a、不用抬那根死重的充电线缆，机械损耗也少了（无机械连接）。

　　b、充电场景更灵活，配合自动泊车技术使用更佳。

　　c、更少过充过放的可能性，提升电池循环寿命。

　　a、能量损耗，造成浪费。

　　b、充电速度慢。

　　c、成本太高，车载充电机、自动驾驶技术、充电地坑、无线充电板（还得可升降）四者叠加得是多可怕的成本。

　　d、配备无线充电配套设施之后，车重增加，续航降低。

　　e、对准要求高

（图/文/摄：太平洋汽车网 黄恒乐）