汽车无线供电悄然起步

2015-03-31 16:09:40来源: 技术在线 关键字:汽车  悄然  起步

    无线供电技术在智能手机等便携终端领域实现产品化后,在汽车领域也即将实用化。关于国际标准的探讨也进入尾声,2015年5~6月将敲定方向。届时,为市售汽车配备静态无线充电(定点充电)功能的环境将准备就绪。

无线充电技术的源起、标准化与车企实践

   
2013年11月,电动汽车无线供电向实用化迈进了一大步。美国汽车工程师协会(SAE)宣布就电动汽车无线供电使用85kHz频带(81.38k~90.00kHz)达成一致(图1)。而在此之前,有关无线供电频带的争论一直呈胶着状态,成为阻碍实用化进程的壁垒。

图1:美国汽车工程师协会(SAE)宣布电动汽车无线供电采用85kHz频带(81.38k~90.00kHz)的资料

    达成一致的85kHz频带是日本各汽车企业与美国高通公司等主张的频带。SAE制定的无线供电标准“SAE J2954”计划包含最大输出功率为3.7kW(一般家庭)、7.7kW(公共)、22kW(快速充电)、200kW(大型车辆)的4种标准。

图2:日产汽车2012年公开的EV轿车“LE概念车”

    “2年内投入实用”——日产汽车在2012年4月召开的“纽约车展”上宣布将为2年内上市的EV采用无线供电技术。在全球首次公开展示了预定以“英菲尼迪”品牌上市的纯电动(EV)轿车“LE概念车”(图2)。这将成为世界上第一辆标配电磁感应方式无线供电系统的量产车。

    日产汽车2011年宣布将与合作伙伴法国雷诺联手,在2016财年之前,累计销售150万辆EV。但截至2014年3月底,日产汽车的EV累计销量为11万辆,雷诺为4万辆,相加仅为15万辆。由于EV的销量远低于计划,该公司推迟了以英菲尼迪品牌推出新款EV,以及无线供电系统实用化的时间。但私底下并没有停下开发的脚步。

已利用EV“LEAF”等车型完成试制

 

图3:已利用EV“LEAF”等车型完成试制

    日产汽车曾向新闻媒体公开展示了“HYPER mini”和“LEAF(聆风)”的无线供电系统实验。展示车辆设想采用的系统最大输出功率为3.3kW。以240V的电压充满需要8小时。地面线圈设置在车主自家的停车场,而非公共场所。

    为防止地面线圈与车辆线圈错位,车辆配备有基于环视监视器的自动泊车系统,只要在导航仪系统中预留泊车车库的位置,进入车库后,自动泊车系统就会自动启动。

    强化无线供电的不只是日产汽车。丰田为实现电动汽车无线供电的实用化,已于2014年2月开始在爱知县丰田市开展验证实验。该公司以插电式混合动力车(PHEV)“普锐斯PHV”为原型,开发出了配备磁共振式无线供电系统的汽车。无线供电系统的输出功率为2kW。使用频带是已经基本作为国际标准取得共识的85kHz频带。电力传输效率约为80%。

图4:配备无线供电功能的丰田“普锐斯PHV”

    丰田表示,“在验证实验中,(地面上设置的)供电线圈与(车辆底部设置的)受电线圈的距离(线圈间距)约为15cm左右。水平错位的最大允许范围是一条轮胎的宽度(20cm左右)。前后方向利用车载导航仪的辅助,基本不出现错位”。

本田结合自动泊车

    本田也在进行开发。该公司于2014年6月16日公开了配备无线供电系统的“飞度EV”实验车辆。该车是正在埼玉县埼玉市实施验证的智能住宅(新一代节能住宅)项目的一环。实用化将力争于2016年实现。

    飞度EV的特点是结合了自动泊车系统。通过采用基于自动驾驶的精确泊车系统,“可使车辆以纵向±5cm,横向±10cm的精度,在供电线圈上方自动泊车”(本田)。能够使电力传输效率保持在80~90%。

电子界卷入开发竞争

    致力于无线供电系统开发的不仅仅是开发电动汽车(EV)及插电混合动力车的汽车厂商(图5)。除了汽车行业的众多企业之外,电子企业也也被卷入相关开发竞争。

图5:奥迪开发的电动车辆用无线供电系统

    在电子企业中,对无线供电系统的研发尤其下力气的是美国高通(Qualcomm Technologies)。该公司2011年11月宣布,从拥有众多电磁感应式无线供电技术专利的新西兰奥克兰大学(University of Auckland)收购了无线供电技术相关资产。

    高通以收购获得的技术为基础,开发了用于电动车辆的无线供电系统“Qualcomm Halo”。最近,该公司又与梅赛德斯AMG马来西亚石油F1车队展开了共同研发。

图6:高通开发的、支持3.3k~20kW功率范围的无线供电系统

    高通无线供电系统的特点之一是支持多功率。受电圈有3.3kW、6.6kW、20kW产品,送电圈支持最大20kW的全部功率(图6)。如果只是在家中利用夜间8小时来缓慢充电,有3.3kW就足够了。而外出时想要充电的话,则可选择支持20kW的无线供电系统。

    而长期以来的技术课题,也就是送电圈与受电圈的错位问题,则可通过组合自动泊车技术来解决。除了前篇中介绍的本田之外,电装也开发了自动泊车与无线供电功能相组合的系统。该公司在2013年10月举行的“第20届智能交通世界会议”上做了相关演示。

    在此次会议上,电装将能够自动泊车和自动充电的系统命名为“Smart Charge”,提出了相关解决方案。进行了根据控制中心的指示使停车场内的车辆自动行驶,以及使车辆在指定时间自动向指定场所移动的演示(图7)。

    自动行驶时使用监视前后左右的4个摄像头、检测前方物体的激光雷达、提高位置精度的准天顶卫星定位技术,以及内置的地图数据。

图7:电装演示可自动泊车和自动充电的系统“Smart Charge”。

    在自动泊车方面,德国博世(Robert Bosch)正在推动实用化进程。使用该公司开发的系统时,在车辆进入停车场后,驾驶员可下车用智能手机等发送“开始自动泊车”的指示。为安全考虑,可在驾驶员现场守护的情况下使用。在掌握周围情况时,主要使用欧洲广泛使用的超声波传感器(声纳)。

    另外,在解决错位问题时,研究送电圈及受电圈的构造也是有效手段。无线供电用线圈的形状可大致分为圆形和方形两类。历史长的圆形产品在成本等方面具有优势。而方形产品的优势则是对水平向错位的容许量较大。

在行驶中实现为车充电

    在停车状态下用无线供电技术为车辆充电(定点充电)的功能将在不久后迈向实用化。以推出首款产品为目标的技术开发很可能已有了眉目,但这并不意味着开发就由此结束。

    这是因为,要想使电动车辆及其无线充电系统进入普及期,还必须要进一步提高电力传输效率并降低成本(图8)。



图8:大众EV“e-up!”在前盖下的发动机室中配置普通充电口。要想插入充电电线,必须要先从后备箱中拿出充电电线,然后打开前盖,易用性稍差。

    日本经产省负责人表示:“要想使电动汽车(EV)及插电混合动力车(PHEV)普及,就必须要扩充充电基础设施。在这方面,无线供电技术被寄予厚望。”

    在汽车无线充电方面,还有一个市场将来有望实现大幅增长。这就是为行驶中的车辆充电(走行中充电)的系统。在行驶中实现充电,便可减小电动车辆配备的二次电池的容量,降低车辆成本,同时还可延长续航距离。

    “100年后的汽车恐怕将不再依附于‘发动机’、‘电池’及‘快速充电’,而是要靠‘电机’、‘电容器’及‘无线’技术来行驶。行驶中的无线充电系统需要新的技术”——东京大学研究生院新领域创成科学研究科教授、日本汽车技术协会技术担当理事堀洋一指出了为行驶中的无线充电系统实施新技术开发的重要性。

    至于汽车无线充电系统的实用化,有很多日本研究人员在描述前景时表示:“目前还为时尚早,将在2020年东京奥运会时开始宣传技术,力争2030年前后实现普及。”也就是说,日本业界很可能会依据开发出来的技术在市场上确立优势地位。

    但现在时间已经不充裕了。日本汽车技术协会无线供电系统技术部门委员会干事横井行雄警告称:“日本起步较晚,眼巴巴地看着别人不是回事儿。”。

    对日本构成威胁的是韩国政府研究机构韩国科学技术院(KAIST)。据横井介绍,KAIST“正以今后5年内为目标全力开发1MW级别的行驶中充电技术”。

 

图9:KAIST于2009年2月发表的、作为第一代OLEV的高尔夫球车。

    KAIST早在6年多以前就已开始开发可在行驶中充电的系统“OLEV:On-Line Electrical Vehicle”。2009年2月在KAIST设施内进行了高尔夫球车的实车行驶实验,然后同年6月对大型巴士、同年7月对SUV(多功能运动车)进行了实车行驶实验(图9)。同年12月制造了4辆大型巴士,开始在研究所内运行。

    另外,KAIST还于2010年3月在首尔大公园内的行驶线路上启动了园内移动用列车型EV的运营项目。在连接3辆,对合计19吨的“列车”进行牵引的EV上,配备了最大输出功率为240kW的电机。配备锂聚合物二次电池,容量为24.8kWh。最高时速为40km/h。在道路下面铺满了供电用的线圈,在总长2.2km的区间内设置了400m左右的供电区间,可将“二次电池的配备量减少至通常的20%左右”(KAIST)。

    KAIST仍在推进开发。在2015年3月20日研讨会上,KASIT核能与量子工程学教授Chun T. Rim自信地表示:“目前正在开发第五代OLEV。输出功率达到100kW。即使道路内配置的送电轨(线圈)与车辆的受电圈离开有20cm,也可实现超过80%的电力传输效率。”

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编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2015/0331/article_10606.html
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