高速公路自動駕駛，將解決長距離探親、旅游、運貨的交通問題；城區(qū)自動駕駛，將解決中距離上下班、郊野游玩的出行問題；自動泊車，將解決短距離（最后一公里）的停車問題。當(dāng)有朝一日上面的功能全部實現(xiàn)，自動駕駛的出行生態(tài)似乎已經(jīng)閉環(huán)。
但腦補如下場景：一個周末慵懶的下午，一位精心打扮的姑娘，和閨蜜在商場進行了一番酣暢淋漓的消費后，帶著戰(zhàn)利品和磨破皮的腳后跟，乘坐自動駕駛車輛回家。車輛在自家停車位停穩(wěn)后，碎花裙的姑娘拖著疲憊的雙腿下了車。在想到車內(nèi)不斷響起的“續(xù)航里程僅剩50公里，請及時充電”提示后，姑娘強忍著腳后跟的疼痛，踩著8cm的高跟鞋走到車尾充電站處，搬起又臟又重的充電槍，費勁的將充電槍放進充電口。
上面場景在詩意與浪漫之間，多了一絲現(xiàn)實的殘酷，車都已經(jīng)可以自動行駛、自動泊車，電為什么不能自動充呢？這個反問，讓筆者聯(lián)想到，自動駕駛出行的完整生態(tài)，不僅要擊退正面戰(zhàn)場上強大的感知、控制、規(guī)劃、決策等主力敵人，還要消滅敵后戰(zhàn)場上不容忽視的精銳力量。
而電動汽車無線充電，作為自動駕駛出行完整生態(tài)不可或缺的一塊邊角料，提供了解決自動駕駛最后“10米”難題的一種方法。下文將對這種“隔空充電”的方式進行一個系統(tǒng)性介紹。
無線充電簡史
19世紀(jì)后期，偉大的尼古拉斯·特斯拉(Nikola Tesla)發(fā)明了特斯拉線圈（tesla coil），一種特殊的變壓器，可以產(chǎn)生上百萬高頻電壓。這玩意用于制造人工閃電，很是炫酷，成為那個年代少有的撩妹神器。隨后，特斯拉利用這一撩妹神器，實現(xiàn)了無線隔空點亮燈泡的實驗，劃開了人類歷史上無線傳輸電能的序幕。
1978年，美國人喬治·博格爾開啟了給電動汽車無線充電的先例。
1994年，日本村田制造公司宣布實現(xiàn)“磁耦合諧振”。
2007年，麻省理工學(xué)院(MIT)的馬林·索爾賈?？?/strong>團隊采用磁場共振式無線充電技術(shù)，成功在兩米的距離點亮了60W功率的燈泡，能量轉(zhuǎn)換效率也達到了45%。后來該團隊將這一技術(shù)申請了專利，并成立一家叫WiTricity的公司。WiTricity目前已經(jīng)成長為“全球電動汽車無線充電技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者”，并在后來成為中國電動汽車無線充電一系列國家標(biāo)準(zhǔn)的參編單位。
2008年12月，無線充電聯(lián)盟(Wireless Power Consortium，WPC)成立，通過制定、推廣基于電磁感應(yīng)原理的手機無線充電標(biāo)準(zhǔn)，來解決不同手機廠商間山頭林立的局面。該聯(lián)盟的標(biāo)志是“Qi”，頒布的標(biāo)準(zhǔn)也被稱為Qi標(biāo)準(zhǔn)。Qi標(biāo)準(zhǔn)目前已經(jīng)成為全球分布范圍最廣、最普及的手機無線充電標(biāo)準(zhǔn)。
2009年1月，一個冷門的美國手機品牌Palm，在CES展會上公布了新一代操作系統(tǒng)webOS及首款手機Palm Pre。這是世界上第一款支持無線充電的智能手機，當(dāng)然并沒有采用剛剛出爐的Qi標(biāo)準(zhǔn)。2020年7月的時候，雷布斯在個人社交賬號上還翻出這段歷史感慨一番，并明志要在小米手機上普及無線充電這項技術(shù)。
2015年2月，無線充電領(lǐng)域另外兩大產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟無線電力聯(lián)盟(Alliance for Wireless Power，A4WP)與電源事務(wù)聯(lián)盟(Power Matters Alliance，PMA)宣布合并，致力于整合磁場共振與電磁感應(yīng)技術(shù)，并發(fā)布統(tǒng)一無線充電標(biāo)準(zhǔn)：AirFuel標(biāo)準(zhǔn)。強強聯(lián)合一來是為了挑戰(zhàn)Qi標(biāo)準(zhǔn)在手機領(lǐng)域的霸主地位，二來是為了把觸角伸向更廣闊的汽車無線充電領(lǐng)域。
2017年9月， 剛剛加入WPC的蘋果，就發(fā)布了三款支持Qi標(biāo)準(zhǔn)帶有無線充電功能的iPhone8、Plus和iPhoneX三款手機。蘋果的嘗鮮，讓手機無線充電一夜之間成為大眾熱議的話題，也開啟了友商效仿、追逐與超越的序幕，自此手機無線充電領(lǐng)域進入一片混戰(zhàn)。
2020年4月，四項電動汽車無線充電國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38775發(fā)布。這一系列標(biāo)準(zhǔn)早于傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)大戶SAE、ISO等國際組織的國標(biāo)，讓一直在標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域當(dāng)慣了“學(xué)生”的汽車人有點不適應(yīng)，但確實可以感受出國家在電動汽車領(lǐng)域的重視程度以及國內(nèi)廠商深厚的技術(shù)積累程度。
無線充電原理
目前市場上比較主流的無線充電方式有三種：電磁感應(yīng)式、磁場共振式和無線電波式。
一、電磁感應(yīng)式
電磁感應(yīng)式無線充電是基于法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象和提出的電磁感應(yīng)定律。不說人話就是：閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場中作切割磁感線運動時，導(dǎo)體中就會產(chǎn)生感應(yīng)電流。說人話就是：你拿一個閉合的線圈在磁場中晃呀晃，閉合的線圈中就會感應(yīng)出電流來，把這些電流收集起來，就可以用來給電池充電了。
如下圖所示，基于這種原理的無線充電系統(tǒng)主要由送電線圈（無線充電底座）和受電線圈（智能手機或汽車）兩個線圈組成。通過給送電線圈施加一定頻率的交流電（電流在送電線圈中的方向不斷的交替變化，一會兒順著流，一會兒反著流），送電線圈周邊就會產(chǎn)生不斷變化的磁場。受電線圈在群魔輪舞的磁場洗禮下，會產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電流。該電流經(jīng)過整流后便可給手機或汽車中的電池充電。
（圖片來源：民生證券研究院）
電磁感應(yīng)式無線充電的優(yōu)點是充電效率較高、技術(shù)要求簡單、標(biāo)準(zhǔn)完善，目前在市場上已經(jīng)有大量成熟的產(chǎn)品。缺點就是傳輸距離太短（數(shù)毫米~數(shù)厘米），且距離一旦增加，充電效率將急劇下，導(dǎo)致使用位置相對固定。電磁感應(yīng)式無線充電技術(shù)目前在手機領(lǐng)域站穩(wěn)腳跟，對于汽車上動輒幾十厘米的底盤高度，此種技術(shù)還很難駕馭。
二、磁場共振式
磁場共振式無線充電是基于磁場共鳴的原理來實現(xiàn)電能傳遞。如下圖所示，發(fā)射線圈和接收線圈作為共振器，并將兩個線圈的諧振頻率調(diào)整為一致。當(dāng)發(fā)射線圈通交流電產(chǎn)生變化磁場時，具有同樣諧振頻率的接收線圈進入磁場中時，收發(fā)線圈之間就會產(chǎn)生同頻磁場諧振。這個時候，能量便可以從發(fā)射端以磁場的形式耦合到接收端，從而實現(xiàn)能量的空間轉(zhuǎn)移。
（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）
相比于電磁感應(yīng)式，磁場共振式無線充電的傳輸距離更長（數(shù)厘米~1m）,側(cè)面提高了充電面積，從而可以支持一對多的充電方式。但是由于松耦合連接，充電效率比電磁感應(yīng)式無線充電要低。但是這樣的充電距離，這樣的充電面積，很難讓電動汽車不動心，不生非分之想。
三、無線電波式
無線電波式無線充電是通過在供電處放置一個電磁波發(fā)生器，發(fā)射天線將電磁波傳出，接收端接收天線收到電磁波信號后轉(zhuǎn)換為供電設(shè)備可使用的電流，實現(xiàn)無線充電。
無線電波式由于是將電磁波轉(zhuǎn)換為電能，雖然轉(zhuǎn)換效率很高，發(fā)送方和接收方的位置也可以不用固定。但是受限的發(fā)射功率、龐大的體積以及安全性問題，使其還處于爹不親娘不愛的階段。
無線充電應(yīng)用實例
一、手機無線充電系統(tǒng)
如今許多汽車上也配置了用于給手機充電的無線充電模塊，下圖展示了這樣一種無線充電模塊的內(nèi)部原理圖。整個系統(tǒng)關(guān)鍵組成部分包括控制單元MCU、驅(qū)動單元、降壓-升壓變壓器（Buck-Boost DCDC）、初級線圈等。
整個充電過程主要包括手機檢測和握手充電兩個步驟。
（1）手機檢測
一切美好姻緣的開始都源于心動，無線充電也一樣。無線充電模塊第一步也是檢測充電面板上是否有手機，該手機是否是使用相同無線充電協(xié)議的“心動”手機。在無線充電Qi標(biāo)準(zhǔn)中推薦了兩種檢測充電面板上是否有“心動”手機的方法，下面對其中一種方法進行介紹。
如下圖所示，無線充電模塊中的初級線圈被分割成八份勵磁線圈，無線充電模塊中的驅(qū)動單元生成如下所示的脈沖波形輸入給每個勵磁線圈，勵磁線圈發(fā)射出對應(yīng)的射頻信號，這時候勵磁線圈中電流為I。如果是“心動”的手機在對應(yīng)位置上并產(chǎn)生諧振，那么勵磁線圈中的電流I就會降低。通過綜合判斷八份勵磁線圈中的電流變化情況，就可以判斷是否有“心動”的手機以及是否在中心位置上。
（圖片來源：Qi協(xié)議）
（2）握手充電
在無線充電Qi標(biāo)準(zhǔn)中,握手充電過程包括四個階段：selection、ping、identification & configuration和power transfer，工作流程如下圖所示。
（圖片來源：Qi協(xié)議）
Selection：該階段用于檢測配對功率接收器是否存在，當(dāng)發(fā)現(xiàn)一個或多個功率接收器時，一方面會對這些功率接收器進行定位，另一方面會嘗試與其通訊。
Ping：該階段無線充電模塊會執(zhí)行一個數(shù)字ping，并監(jiān)聽是否有響應(yīng)。如果接收到相應(yīng)的響應(yīng)，則無線充電模塊會進入數(shù)字ping的拓展模式，這將使得系統(tǒng)進入到identification & configuration階段，如果無線充電模塊沒有成功進入數(shù)字ping的拓展模式，則系統(tǒng)恢復(fù)到selection階段。
Identification & configuration：該階段無線充電模塊識別選定的功率接收器，并獲取相關(guān)的配置信息。無線充電模塊使用相關(guān)的配置信息創(chuàng)建一個傳輸協(xié)議，該協(xié)議里包含了一些特定的參數(shù)，這些參數(shù)將在power transfer階段使用。此時如果沒有獲取相關(guān)的配置信息，則系統(tǒng)恢復(fù)到selection階段。
Power transfer：該階段無線充電模塊中的功率發(fā)射器向功率接收器供電，根據(jù)功率接收器提供的控制數(shù)據(jù)來調(diào)整供電電流的大小，包括充電終止等。
二、電動汽車無線充電系統(tǒng)
電動汽車無線充電已經(jīng)有國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38775的撐腰，在國標(biāo)中，電動汽車無線充電輸入端的功率被分為8個等級，如下表所示。今年4月份剛上市，一直被我黑的智己L7提供了11kw功率的無線充電選裝配置。
電動汽車目前多采用的是磁場共振式技術(shù)，原理和手機無線充電有很多類似的地方，筆者就不花篇幅去贅述。僅貼出一張電動汽車無線充電系統(tǒng)工作流程圖及各對部件的解釋，以饗讀者。
（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）
汽車無線充電面臨的挑戰(zhàn)
電動汽車無線充電，從原理端來看，無比簡單清爽。從應(yīng)用端來看，有遠大“錢”景“錢”途。在國內(nèi)國外各大主機廠均已公布燃油車停售時間計劃的時候，電動汽車無線充電卻未能一直被大面積推廣應(yīng)用。事出反常必有妖，可簡單歸納為如下幾個原因。
一、充電效率問題
有線充電通過導(dǎo)線傳輸電能，充電電路損耗比較小，不考慮電池端轉(zhuǎn)換效率的話，目前手機有線充電效率可達95%左右。無線充電通過磁場來傳遞電能，一來磁場本身無法被接收端完全吸收，二來環(huán)境干擾等將進一步降低效率，目前手機無線充電效率為70%左右。
汽車上沒有找到可靠的量產(chǎn)數(shù)據(jù)來進行對比，如果拿手機上的數(shù)據(jù)類比可知，采用無線充電的電動汽車將比有線充電的電動汽車多消耗接近30%的電量，消費者愿不愿意買單電費是一回事，國家可能也要斟酌一下對“碳達峰、碳中和”目標(biāo)實現(xiàn)的影響。
二、電磁輻射問題
電動汽車電池容量大、充電時間不能太長等要求決定了無線充電的功率不能太小，而由此產(chǎn)生的電磁輻射問題也將接踵而至。尤其是整個停車場幾百臺電動車同時進行這種高功率的無線充電，電磁輻射的疊加問題將是一個令人掉頭發(fā)的難題
GB/T 38775規(guī)定了電動汽車在無線充電時內(nèi)、外的電磁輻射環(huán)境限值和測試方法，詳細列出了在多種頻率范圍下相應(yīng)的電場強度和磁感應(yīng)強度指標(biāo)。相信有了標(biāo)準(zhǔn)的鞭策，各廠家的持續(xù)努力，無線充電的電磁輻射問題也會盡快收斂。
三、安全問題
磁場共振式無線充電技術(shù)普遍采用6.78MHz頻段，波長大約在30米，雖然從科學(xué)論證的角度來看對人體是無害的，但是要獲得普通消費者的認(rèn)可還需要大量的試驗數(shù)據(jù)支撐。
四、成本問題
目前市面上電動汽車無線充電多為選裝配置，選裝價格在1萬元左右。一套無線充電還包括停車位地面端的改造。據(jù)某小作坊報價，目前無線充電停車位地面改造的價格在2萬左右。
相比于多數(shù)廠家（除Tesla）免費贈送的充電樁及安裝服務(wù)，在當(dāng)下經(jīng)濟環(huán)境下，花3萬塊買這樣一個新功能，估計也只能吸引那些不差錢又喜歡嘗鮮的富家子弟，普通老百姓還是要啃著窩窩頭好好思量一下的。
突然涌現(xiàn)出一絲不懷好意的揣測，現(xiàn)在上市的帶無線充電選配功能的電動汽車（說的就是你智己L7），肯定不是抱著賣的目的吧。而一個新產(chǎn)品的新功能不以賣給客戶為目的，不是用來討好某個高層領(lǐng)導(dǎo)，就是博一個宣傳的噱頭。
五、其他問題
室外無線充電車位要經(jīng)歷春夏秋冬、風(fēng)霜雨水，防水防塵要求會更高更嚴(yán)格；無線充電發(fā)射器和接收器是否能精準(zhǔn)的對齊，都將影響充電效率，但我理解L4級別的泊車可以完美解決對位精度要求；如何在充電過程防止小貓、小狗等生物及金屬等異物侵入非常重要。上述工程技術(shù)難題，也夠電動汽車無線充電產(chǎn)品經(jīng)理喝幾壺的。
文末隨感
選這個題目嘮叨幾千字，倒不是因為無線充電技術(shù)有多先進、多前沿，而是想用這個內(nèi)容去刻意感慨一下：自動駕駛臺面上聳立著無數(shù)陡峭山峰需要攀越，臺面下也隱藏著無數(shù)的暗礁需要趟過去。部分自動駕駛公司可別動不動就某某年提供量產(chǎn)自動駕駛方案，雖說無知者無畏，但你不學(xué)習(xí)有罪。
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