无线充电,解决自动驾驶“最后10米”痛点

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高速公路自动驾驶,将解决长距离探亲、旅游、运货的交通问题;城区自动驾驶,将解决中距离上下班、郊野游玩的出行问题;自动泊车,将解决短距离(最后一公里)的停车问题。当有朝一日上面的功能全部实现,自动驾驶的出行生态似乎已经闭环。

但脑补如下场景:一个周末慵懒的下午,一位精心打扮的姑娘,和闺蜜在商场进行了一番酣畅淋漓的消费后,带着战利品和磨破皮的脚后跟,乘坐自动驾驶车辆回家。车辆在自家停车位停稳后,碎花裙的姑娘拖着疲惫的双腿下了车。在想到车内不断响起的“续航里程仅剩50公里,请及时充电”提示后,姑娘强忍着脚后跟的疼痛,踩着8cm的高跟鞋走到车尾充电站处,搬起又脏又重的充电枪,费劲的将充电枪放进充电口。

上面场景在诗意与浪漫之间,多了一丝现实的残酷,车都已经可以自动行驶、自动泊车,电为什么不能自动充呢?这个反问,让笔者联想到,自动驾驶出行的完整生态,不仅要击退正面战场上强大的感知、控制、规划、决策等主力敌人,还要消灭敌后战场上不容忽视的精锐力量。

而电动汽车无线充电,作为自动驾驶出行完整生态不可或缺的一块边角料,提供了解决自动驾驶最后“10米”难题的一种方法。下文将对这种“隔空充电”的方式进行一个系统性介绍。

无线充电简史

19世纪后期,伟大的尼古拉斯·特斯拉(Nikola Tesla)发明了特斯拉线圈(tesla coil),一种特殊的变压器,可以产生上百万高频电压。这玩意用于制造人工闪电,很是炫酷,成为那个年代少有的撩妹神器。随后,特斯拉利用这一撩妹神器,实现了无线隔空点亮灯泡的实验,划开了人类历史上无线传输电能的序幕。

1978年,美国人乔治·博格尔开启了给电动汽车无线充电的先例。

1994年,日本村田制造公司宣布实现“磁耦合谐振”。

2007年,麻省理工学院(MIT)的马林·索尔贾希克团队采用磁场共振式无线充电技术,成功在两米的距离点亮了60W功率的灯泡,能量转换效率也达到了45%。后来该团队将这一技术申请了专利,并成立一家叫WiTricity的公司。WiTricity目前已经成长为“全球电动汽车无线充电技术的领导者”,并在后来成为中国电动汽车无线充电一系列国家标准的参编单位。

2008年12月,无线充电联盟(Wireless Power Consortium,WPC)成立,通过制定、推广基于电磁感应原理的手机无线充电标准,来解决不同手机厂商间山头林立的局面。该联盟的标志是“Qi”,颁布的标准也被称为Qi标准。Qi标准目前已经成为全球分布范围最广、最普及的手机无线充电标准。

2009年1月,一个冷门的美国手机品牌Palm,在CES展会上公布了新一代操作系统webOS及首款手机Palm Pre。这是世界上第一款支持无线充电的智能手机,当然并没有采用刚刚出炉的Qi标准。2020年7月的时候,雷布斯在个人社交账号上还翻出这段历史感慨一番,并明志要在小米手机上普及无线充电这项技术。

2015年2月,无线充电领域另外两大产业联盟无线电力联盟(Alliance for Wireless Power,A4WP)与电源事务联盟(Power Matters Alliance,PMA)宣布合并,致力于整合磁场共振与电磁感应技术,并发布统一无线充电标准:AirFuel标准。强强联合一来是为了挑战Qi标准在手机领域的霸主地位,二来是为了把触角伸向更广阔的汽车无线充电领域。

2017年9月, 刚刚加入WPC的苹果,就发布了三款支持Qi标准带有无线充电功能的iPhone8、Plus和iPhoneX三款手机。苹果的尝鲜,让手机无线充电一夜之间成为大众热议的话题,也开启了友商效仿、追逐与超越的序幕,自此手机无线充电领域进入一片混战。

2020年4月,四项电动汽车无线充电国家标准GB/T 38775发布。这一系列标准早于传统标准大户SAE、ISO等国际组织的国标,让一直在标准领域当惯了“学生”的汽车人有点不适应,但确实可以感受出国家在电动汽车领域的重视程度以及国内厂商深厚的技术积累程度。

无线充电原理

目前市场上比较主流的无线充电方式有三种:电磁感应式、磁场共振式和无线电波式。

一、电磁感应式

电磁感应式无线充电是基于法拉第发现的电磁感应现象和提出的电磁感应定律。不说人话就是:闭合电路的一部分导体在磁场中作切割磁感线运动时,导体中就会产生感应电流。说人话就是:你拿一个闭合的线圈在磁场中晃呀晃,闭合的线圈中就会感应出电流来,把这些电流收集起来,就可以用来给电池充电了。

如下图所示,基于这种原理的无线充电系统主要由送电线圈(无线充电底座)和受电线圈(智能手机或汽车)两个线圈组成。通过给送电线圈施加一定频率的交流电(电流在送电线圈中的方向不断的交替变化,一会儿顺着流,一会儿反着流),送电线圈周边就会产生不断变化的磁场。受电线圈在群魔轮舞的磁场洗礼下,会产生相应的感应电流。该电流经过整流后便可给手机或汽车中的电池充电。

(图片来源:民生证券研究院)

电磁感应式无线充电的优点是充电效率较高、技术要求简单、标准完善,目前在市场上已经有大量成熟的产品。缺点就是传输距离太短(数毫米~数厘米),且距离一旦增加,充电效率将急剧下,导致使用位置相对固定。电磁感应式无线充电技术目前在手机领域站稳脚跟,对于汽车上动辄几十厘米的底盘高度,此种技术还很难驾驭。

二、磁场共振式

磁场共振式无线充电是基于磁场共鸣的原理来实现电能传递。如下图所示,发射线圈和接收线圈作为共振器,并将两个线圈的谐振频率调整为一致。当发射线圈通交流电产生变化磁场时,具有同样谐振频率的接收线圈进入磁场中时,收发线圈之间就会产生同频磁场谐振。这个时候,能量便可以从发射端以磁场的形式耦合到接收端,从而实现能量的空间转移。

(图片来源:网络)

相比于电磁感应式,磁场共振式无线充电的传输距离更长(数厘米~1m),侧面提高了充电面积,从而可以支持一对多的充电方式。但是由于松耦合连接,充电效率比电磁感应式无线充电要低。但是这样的充电距离,这样的充电面积,很难让电动汽车不动心,不生非分之想。

三、无线电波式

无线电波式无线充电是通过在供电处放置一个电磁波发生器,发射天线将电磁波传出,接收端接收天线收到电磁波信号后转换为供电设备可使用的电流,实现无线充电。

无线电波式由于是将电磁波转换为电能,虽然转换效率很高,发送方和接收方的位置也可以不用固定。但是受限的发射功率、庞大的体积以及安全性问题,使其还处于爹不亲娘不爱的阶段。

无线充电应用实例

一、手机无线充电系统

如今许多汽车上也配置了用于给手机充电的无线充电模块,下图展示了这样一种无线充电模块的内部原理图。整个系统关键组成部分包括控制单元MCU、驱动单元、降压-升压变压器(Buck-Boost DCDC)、初级线圈等。

整个充电过程主要包括手机检测和握手充电两个步骤。

(1)手机检测

一切美好姻缘的开始都源于心动,无线充电也一样。无线充电模块第一步也是检测充电面板上是否有手机,该手机是否是使用相同无线充电协议的“心动”手机。在无线充电Qi标准中推荐了两种检测充电面板上是否有“心动”手机的方法,下面对其中一种方法进行介绍。

如下图所示,无线充电模块中的初级线圈被分割成八份励磁线圈,无线充电模块中的驱动单元生成如下所示的脉冲波形输入给每个励磁线圈,励磁线圈发射出对应的射频信号,这时候励磁线圈中电流为I。如果是“心动”的手机在对应位置上并产生谐振,那么励磁线圈中的电流I就会降低。通过综合判断八份励磁线圈中的电流变化情况,就可以判断是否有“心动”的手机以及是否在中心位置上。

(图片来源:Qi协议)

(2)握手充电

在无线充电Qi标准中,握手充电过程包括四个阶段:selection、ping、identification & configuration和power transfer,工作流程如下图所示。

(图片来源:Qi协议)

Selection:该阶段用于检测配对功率接收器是否存在,当发现一个或多个功率接收器时,一方面会对这些功率接收器进行定位,另一方面会尝试与其通讯。

Ping:该阶段无线充电模块会执行一个数字ping,并监听是否有响应。如果接收到相应的响应,则无线充电模块会进入数字ping的拓展模式,这将使得系统进入到identification & configuration阶段,如果无线充电模块没有成功进入数字ping的拓展模式,则系统恢复到selection阶段。

Identification & configuration:该阶段无线充电模块识别选定的功率接收器,并获取相关的配置信息。无线充电模块使用相关的配置信息创建一个传输协议,该协议里包含了一些特定的参数,这些参数将在power transfer阶段使用。此时如果没有获取相关的配置信息,则系统恢复到selection阶段。

Power transfer:该阶段无线充电模块中的功率发射器向功率接收器供电,根据功率接收器提供的控制数据来调整供电电流的大小,包括充电终止等。

二、电动汽车无线充电系统

电动汽车无线充电已经有国家标准GB/T 38775的撑腰,在国标中,电动汽车无线充电输入端的功率被分为8个等级,如下表所示。今年4月份刚上市,一直被我黑的智己L7提供了11kw功率的无线充电选装配置。

电动汽车目前多采用的是磁场共振式技术,原理和手机无线充电有很多类似的地方,笔者就不花篇幅去赘述。仅贴出一张电动汽车无线充电系统工作流程图及各对部件的解释,以飨读者。

(图片来源:网络)

汽车无线充电面临的挑战

电动汽车无线充电,从原理端来看,无比简单清爽。从应用端来看,有远大“钱”景“钱”途。在国内国外各大主机厂均已公布燃油车停售时间计划的时候,电动汽车无线充电却未能一直被大面积推广应用。事出反常必有妖,可简单归纳为如下几个原因。

一、充电效率问题

有线充电通过导线传输电能,充电电路损耗比较小,不考虑电池端转换效率的话,目前手机有线充电效率可达95%左右。无线充电通过磁场来传递电能,一来磁场本身无法被接收端完全吸收,二来环境干扰等将进一步降低效率,目前手机无线充电效率为70%左右。

汽车上没有找到可靠的量产数据来进行对比,如果拿手机上的数据类比可知,采用无线充电的电动汽车将比有线充电的电动汽车多消耗接近30%的电量,消费者愿不愿意买单电费是一回事,国家可能也要斟酌一下对“碳达峰、碳中和”目标实现的影响。

二、电磁辐射问题

电动汽车电池容量大、充电时间不能太长等要求决定了无线充电的功率不能太小,而由此产生的电磁辐射问题也将接踵而至。尤其是整个停车场几百台电动车同时进行这种高功率的无线充电,电磁辐射的叠加问题将是一个令人掉头发的难题。

GB/T 38775规定了电动汽车在无线充电时内、外的电磁辐射环境限值和测试方法,详细列出了在多种频率范围下相应的电场强度和磁感应强度指标。相信有了标准的鞭策,各厂家的持续努力,无线充电的电磁辐射问题也会尽快收敛。

三、安全问题

磁场共振式无线充电技术普遍采用6.78MHz频段,波长大约在30米,虽然从科学论证的角度来看对人体是无害的,但是要获得普通消费者的认可还需要大量的试验数据支撑。

四、成本问题

目前市面上电动汽车无线充电多为选装配置,选装价格在1万元左右。一套无线充电还包括停车位地面端的改造。据某小作坊报价,目前无线充电停车位地面改造的价格在2万左右。

相比于多数厂家(除Tesla)免费赠送的充电桩及安装服务,在当下经济环境下,花3万块买这样一个新功能,估计也只能吸引那些不差钱又喜欢尝鲜的富家子弟,普通老百姓还是要啃着窝窝头好好思量一下的。

突然涌现出一丝不怀好意的揣测,现在上市的带无线充电选配功能的电动汽车(说的就是你智己L7),肯定不是抱着卖的目的吧。而一个新产品的新功能不以卖给客户为目的,不是用来讨好某个高层领导,就是博一个宣传的噱头。

五、其他问题

室外无线充电车位要经历春夏秋冬、风霜雨水,防水防尘要求会更高更严格;无线充电发射器和接收器是否能精准的对齐,都将影响充电效率,但我理解L4级别的泊车可以完美解决对位精度要求;如何在充电过程防止小猫、小狗等生物及金属等异物侵入非常重要。上述工程技术难题,也够电动汽车无线充电产品经理喝几壶的。

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