從手機到電動車:特斯拉的無線充電夢想正逐漸成為現實

編者薦語:

無線充電的起源,竟然可以追溯到100年前!從小小的燈泡到大大的汽車,它經歷了哪些衍變呢?伏達在無線充電的歷史長河中留下了怎樣一筆呢?請閱讀原文尋找答案。


注:本文原文刊登在電子工程專輯,請參考以下鏈接。

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作者:顧正書

EET電子工程專輯原創

自從奧地利和美國物理學家尼古拉·特斯拉于100年前提出無線電力傳輸的構想,“無線充電”技術已經取得了極大的進步,但在應用方面一直進展緩慢。直到最近幾年手機無線充電流行起來,“無線充電”才為大眾所熟知。在手機充電擺脫線纜纏繞的同時,電動車的流行也引起了人們的好奇:無線充電可否應用到電動車上?


特斯拉線圈及其無線充電系統構想

尼古拉·特斯拉于1891年4月25日獲得了“特斯拉線圈”電路的專利,一個月后在紐約哥倫比亞大學的美國電氣工程師學會演講中首次公開展示了這種電路。盡管特斯拉此前獲得了許多類似電路的專利,但這是第一個包含“特斯拉線圈”所有元件的電路:高壓初級變壓器、電容器、火花隙,以及空心“振蕩變壓器”。


1891 年至 1893 年間,特斯拉開始到處演講和展示“特斯拉線圈”,展示它在高壓、高頻電力傳輸方面的新科學發現。“特斯拉線圈”產生的射頻交流電的行為表現不像當時科學家所熟悉的直流或低頻交流電流。他用壯觀的電刷放電和流光、通過感應加熱來加熱鐵,表明射頻電流可以通過絕緣體并通過沒有返回路徑的單線傳導,可以不用電線為燈泡和電機供電,這些演示給觀眾留下了深刻的印象。他還將數十萬伏的電壓施加到他自己的身體上,使他的身體在黑暗的房間里被發光的電暈放電照亮,并證明高頻電流不會引起電擊的感覺。他的這些演講和表演讓當時的科學界認識了“特斯拉振蕩器”,他的名聲由此享譽國際。


1891年,特斯拉在哥倫比亞大學的演講中展示了無線照明。兩塊金屬片連接到特斯拉線圈振蕩器,為振蕩器施加高射頻振蕩電壓。金屬之間的振蕩電場使他手握的兩個蓋斯勒(Geissler)管中的低壓氣體電離,從而發出熒光,類似于霓虹燈,這一切都無需電線供電。(來源:維基百科)


特斯拉畢生的夢想就是利用“特斯拉線圈”來實現無線電力傳輸。從1891年至1900年間,他嘗試進行了一些無線充電的試驗,通過線圈之間的感應耦合在短距離內傳輸射頻功率。1893年,在芝加哥哥倫比亞博覽會上,他從另外一個房間點亮了燈泡。他發現可以通過使用調諧到與特斯拉線圈LC電路諧振的接收LC電路來增加傳輸距離,通過諧振電感耦合來傳輸能量。1899至1900年期間,在他的科羅拉多斯普林斯實驗室,他利用一個巨大的發射線圈產生1000 萬伏特級的高壓,在大約100英尺(30米)的距離外點亮了三盞白熾燈。今天,特斯拉發現的諧振電感耦合現象已經成為電子學中一個很普通的概念,被廣泛應用于中頻變壓器和短距離無線電力傳輸系統,如手機充電板。


1899 年特斯拉在科羅拉多斯普林斯實驗室的巨大“放大發射器”線圈(左圖),燈泡(位于底部)由“接收器”線圈無線供電。右圖是特斯拉在其1897年專利中提議的無線供電系統示意圖,其中發射器(左)由特斯拉線圈(A、C)組成,驅動由氣球(D)懸掛的高架電容端子(B)。接收器(右)是一個類似的端子和諧振變壓器。(來源:維基百科)


我們現在認識到,電感和電容耦合是“近場”效應,因此它們不能用于遠距離傳輸。然而,當年的特斯拉確信他可以開發一種遠程無線電力傳輸系統,將電力從發電廠直接傳輸到家庭和工廠,而無需電線。他聲稱能夠在全球范圍內傳輸電力,使用的方法包括通過地球和大氣進行傳輸。特斯拉認為,整個地球都可以作為一個電諧振器,通過將電流脈沖從接地的特斯拉線圈以升高的電容驅動到地球的諧振頻率,可以使地球的電位振蕩,從而創造全球地位波,并且可以通過電容天線接收到這種交流電,這種天線可以在地球上的任何一點與之共振。他的另一個想法是,發射和接收終端可以通過氣球懸掛在30,000 英尺(9,100米)高空中,那里的氣壓較低。他認為,在這個高度一層導電的稀薄空氣可以讓電力以高電壓(數億伏)遠距離傳輸。


特斯拉設想建立一個全球無線電力網絡,他稱之為“世界無線系統”,可以為地球上的每個人傳輸信息和電力。100年后,雖然他的夢想還沒有實現,但手機甚至電動車的無線充電已經成為現實。他的遠大夢想、大膽設想和冒險嘗試的精神為現代電子科技的發展奠定了強大的根基。


手機無線充電


Qi是無線充電聯盟(WPC)推出的“無線充電”標準,具備便捷性和通用性兩大特征。不同品牌的產品,只要有Qi標識,都可以用Qi無線充電器充電。此外,它攻克了無線充電“通用性”的技術瓶頸,將來手機、電腦、手表等電子產品都可以用Qi無線充電器充電,為無線充電的大規模應用奠定了基礎。


目前市場比較流行的無線充電技術主要有三種方式,即電磁感應、無線電波、以及共振,而Qi采用了最為主流的電磁感應技術。在技術應用方面,國內公司已經走在了無線充電行業的最前沿。Qi在中國的應用產品主要是手機,這是第一個階段,以后會擴展到不同類別或更高功率的數碼產品中。


2017年10月,蘋果發布的iPhone 8系列手機開始支持無線充電功能,它們都支持Qi無線充電標準,為用戶帶來了很大便利。今年上半年,小米發布了80W立式無線充電座,再次刷新了無線充電功率的新紀錄。


小米80W立式無線充電座 (來源:小米)


小米的這種大功率無線充電方案由伏達半導體(NuVolta)提供,采用伏達NU1513主控和集成功率級NU1028芯片,實現了67W的大功率無線充電。這款無線充電器采用兩顆功率芯片并聯的方式驅動線圈,兩路線圈共使用四顆集成功率級芯片。


伏達半導體在無線充電架構上采用創新的Smartbridge架構,高度集成PD與MTP,使得外部器件低于20個,大大簡化了設計。


伏達無線充電方案原理圖 (來源:NuVolta)


伏達NU1513是一種高度集成的數字控制器,不但可以提供穩定的功率,而且可以與兼容WPC的接收器保持穩定的通信,適用于符合WPC EPP標準的30W無線充電發射器。該器件與NU1028功率級IC一起構成了簡單、高性能、高性價比的無線充電發射器解決方案。


伏達NU1028集成功率級芯片內部集成了無線充電H橋功率管和驅動器及穩壓電路,可以與伏達的無線充電主控搭配,兩顆芯片即可實現完整的無線充電。


基于伏達芯片的無線充電方案已經陸續協助小米開發了55W立式風冷立式無線充電器、30W立式風冷無線充電器、20W立式無線充電器、20W智能追蹤式無線充電器、80W立式快充等多款產品。伏達半導體一直深耕無線充電技術的創新和應用,推出的全橋芯片不斷增加輸出功率,滿足越來越高的無線充電需求,同時集成了相關功能,簡化了無線充電路設計。


車內手機無線充電

手機無線充電已經從家里、辦公室和路上延展到車里。特斯拉為其Model S和X配置了專門的手機無線充電器,可支持任何一款配備Qi無線充電技術的智能手機,即插即充,快速安全,其充電功率可達到7.5W。


特斯拉Model S/X的手機無線充電器 (來源:Tesla)


此外,Tesla也設計了Model 3 手機無線充電器,具有硅膠防滑表面,且易于安裝。這種充電器適用于支持 Qi 無線充電技術的移動設備,不限設備尺寸,可同時為兩部手機充電。Model 3 無線手機充電器兼容的手機型號包括:iPhone 8 或更高版本;三星Galaxy Note9、S9、S9+、Note8、S8、S8+、S7、S7 edge、Note5、S6 edge+、S6 edge、S6;其他能與Model 3 無線手機充電器一起使用的各種 Qi 認證手機。


專注于無線充電技術和應用的伏達半導體也推出了相應的高功率車載無線充電方案,具有如下特點:

•最高輸出功率為50W,支持15W EPP

•系統效率達到80%,實現業界效率最高

•突破性的模擬集成技術

•支持多種線圈配置MP-A13/ MP-A9

•多路徑保證手機充電安全

•符合WPC最新協議

•車載專用,AEC-Q100認證。


伏達車載高功率無線充電系統框圖 (來源:NuVolta)


電動車無線充電

通過無線充電板給手機充電,無論在家里、車里還是路上,都已進入人們的日常生活中。這一切都是基于尼古拉·特斯拉本人在無線傳輸電力領域的大膽構想和嘗試。那么,以他的名字命名的電動車品牌是否將他的無線充電研究應用于電動車了呢?對于電動車,從有線充電轉向無線充電是邁向更加自主駕駛出行的重要一步。


電動車無線充電可能嗎?是的。感應充電可將電能轉換為從磁線圈傳輸到接收器線圈的磁能。然后再將接收到的磁能轉換回電能,并通過車載充電器(OBC)保存到電動車電池中。第一個磁性線圈位于連接到電源的充電板中,而用作接收器的第二個線圈則安裝在汽車底部的接收板上。


只需將電動車停在充電板上方,即可通過氣隙自動充電,充電板和電動車之間無需任何物理連接。這是一個簡單的充電過程,車主不必為充電線纜接口是否匹配而擔心了。一旦車子啟動離開充電板,無線充電就自動停止。這項無線充電技術現在的主要缺點是充電效率不高,這意味著充滿電需要比有線充電更長的時間。


然而,特斯拉目前還不提供電動車無線充電功能,這主要是通過Plugless和WiTricity等第三方服務公司的后裝市場升級來實現。


Plugless特斯拉EV無線充電示意圖 (來源:Plugless)


Plugless的無線充電系統主要由3個部分組成,包括控制面板、車輛適配器和停車墊??刂泼姘迨钦麄€設備的大腦,它連接到家庭或工作場所的電源插座。當車輛進入停車位時,控制面板會自動開啟。然后就開始給停車墊供電,停車墊中的線圈會將電能轉換為磁能,磁能可以安全地通過空氣傳輸到車輛適配器。最后,車輛適配器再將磁能轉換回電能,電能通過車載充電器(OBC)為電動車充電。


這種充電的優點是室內和戶外都可以安裝、無需人工操作,同時還支持EV線纜充電。其缺點是充電慢、連接控制面板和停車墊的線纜一旦固定不容易移動。此外,目前這種充電系統的車輛適配器還僅限于幾款車型,包括特斯拉Model S、BMW i3、Nissan LEAF和Chevrolet Volt。


Connected Curb是英國一家電動車充電初創公司,專注于住宅市場,因為汽車95%的時間都會停在家里。這種市場策略可以使他們專注于較低充電效率的服務,而不必與商業和辦公區域的快速充電服務直接競爭。該公司的充電設備埋在地下,與地上安裝方案相比,有許多優勢,比如不會對路人造成任何絆倒危險,無線EV充電設備非常安全,不容易受到損壞。但其缺點也很明顯,充電比較慢,設備一旦出現故障難以維修。


Connected Kerb的EV無線充電示意圖 (來源:Connected Kerb)


動態無線充電道路

車停下不動可以無線充電,我們更進一步設想,行駛中的電動車是否也可以無線充電呢?一種稱為動態無線充電(Dynamic Wireless Charging)的技術可以實現對行駛的電動車進行充電。這種無線充電技術的基本原理是,通過埋于地面下的供電導軌以高頻交變磁場的形式將電能傳輸給運行在地面上一定范圍內的車輛接收端,進而給車載儲能設備供電,可使電動車搭載少量電池組,延長其續航里程,同時電能補給更加安全、便捷。


這種動態無線充電的原理和靜態無線充電差不多,但是技術上的實現難度要大得多。最主要原因是傳輸距離變大了,動態傳輸線圈是鋪設在路面下的,至少要幾十厘米的傳輸距離。


可別小看這幾厘米的間距,如果你在給手機無線充電,若把手機微微抬起,可能就不能充電了。另一個技術問題是電磁輻射,大功率傳輸電能需要建立高頻強磁場,但是駕駛員接受到的電磁輻射必須小于一定的安全值。


ElectReon無線是一家成立于2013 年的以色列初創公司,現已在以色列和瑞典鋪設了6公里長的動態無線充電道路,并且正在德國和意大利開展類似的項目。ElectReon 使用 1.2 米長的線圈埋在道路深處,為車輛供電。為了測試這項技術,ElectReon在一輛巴士底盤下安裝了三個接收器,利用無線感應為巴士充電。路面的瀝青層可將路人觸電的可能性降為零,因此安全不是問題。該公司在以色列特拉維夫北部一條2公里長的公路上鋪設了這種線圈,每段充電線圈有100米長,相距200 米進行鋪設。巴士在這條路段上行駛可以自動充電,不需要到專門的充電樁充電了。


一輛40噸重的卡車正在瑞典的無線充電測試道路上行駛 (來源:ElectReon)


電動車無線充電在快速發展,其中一個原因是客戶擔心充電的麻煩。美國總統拜登計劃2030年在美國建立50萬個充電站,耗資150億美元。德國正在法蘭克福、漢堡和斯圖加特周圍測試電動高速公路,預計到2030年道路上將有多達1000萬輛電動車,是目前的20倍。瑞典的目標是到2045年實現零凈排放,計劃到2037年建設2,400公里的電動車充電道路。


中國在動態無線充電道路方面的進展如何?2018年8月,由電科院和哈工大牽頭的國內首條百米級電動車移動式無線充電實驗路段通過驗收,功率為20kW,轉化率達80%。


藍色條就是鋪設的無線充電線圈


最近,全國首個60千瓦等級電動車移動式無線充電示范工程在廣西南寧順利通過驗收。該項目由廣西電科院設計規劃,針對電動車大功率移動式無線充電需要突破的充電功率小、抗偏移能力差及系統穩定性不足等關鍵技術開展技術攻關,成功解決了逆變器同步控制、線圈設計、車載保護、車端改造等關鍵技術難題。這段示范工程充電車道長53米,寬3米,無線充電額定輸出功率60千瓦,充電效率達到80%以上,對外電磁輻射小于6微特斯拉(遠低于國標要求的27微特斯拉),可實現對行駛中的電動汽車快速補電,將率先在快速公交車、旅游景區觀光車、機場擺渡車等固定線路推廣應用,并逐步推廣到城市道路及高速路應用。


結語

在電力傳輸上,無線和有線表面上看起來只是一根線的區別,而其背后卻需要復雜的電磁技術。自從尼古拉特斯拉于100年前提出無線電力傳輸系統的構想,一代一代的科學家、工程師和企業不斷創新和嘗試,才得以讓無線充電進入普通人的生活。從在家里和路上為手機充電,到在車里為手機充電,再到為電動車充電,人們不再被一根線所纏繞,就可以輕松為各種電子設備充電了。

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