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从手机到电动车:特斯拉的无线充电梦想正逐渐成为现实

时间:2021-07-26 作者:顾正书 阅读:
自从奥地利和美国物理学家尼古拉·特斯拉于100年前提出无线电力传输的构想,“无线充电”技术已经取得了极大的进步,但在应用方面一直进展缓慢。直到最近几年手机无线充电流行起来,“无线充电”才为大众所熟知。在手机充电摆脱线缆缠绕的同时,电动车的流行也引起了人们的好奇:无线充电可否应用到电动车上?
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自从奥地利和美国物理学家尼古拉·特斯拉于100年前提出无线电力传输的构想,“无线充电”技术已经取得了极大的进步,但在应用方面一直进展缓慢。直到最近几年手机无线充电流行起来,“无线充电”才为大众所熟知。在手机充电摆脱线缆缠绕的同时,电动车的流行也引起了人们的好奇:无线充电可否应用到电动车上?

特斯拉线圈及其无线充电系统构想

尼古拉·特斯拉于1891年4月25日获得了“特斯拉线圈”电路的专利,一个月后在纽约哥伦比亚大学的美国电气工程师学会演讲中首次公开展示了这种电路。尽管特斯拉此前获得了许多类似电路的专利,但这是第一个包含“特斯拉线圈”所有元件的电路:高压初级变压器、电容器、火花隙,以及空心“振荡变压器”。

1891 年至 1893 年间,特斯拉开始到处演讲和展示“特斯拉线圈”,展示它在高压、高频电力传输方面的新科学发现。“特斯拉线圈”产生的射频交流电的行为表现不像当时科学家所熟悉的直流或低频交流电流。他用壮观的电刷放电和流光、通过感应加热来加热铁,表明射频电流可以通过绝缘体并通过没有返回路径的单线传导,可以不用电线为灯泡和电机供电,这些演示给观众留下了深刻的印象。他还将数十万伏的电压施加到他自己的身体上,使他的身体在黑暗的房间里被发光的电晕放电照亮,并证明高频电流不会引起电击的感觉。他的这些演讲和表演让当时的科学界认识了“特斯拉振荡器”,他的名声由此享誉国际。

1891年,特斯拉在哥伦比亚大学的演讲中展示了无线照明。两块金属片连接到特斯拉线圈振荡器,振荡器施加高射频振荡电压。金属之间的振荡电场使他手握的两个盖斯勒Geissler管中的低压气体电离,从而发出荧光,类似于霓虹灯,这一切都无需电线供电。(来源:维基百科)

特斯拉毕生的梦想就是利用“特斯拉线圈”来实现无线电力传输。从1891年至1900年间,他尝试进行了一些无线充电的试验,通过线圈之间的感应耦合在短距离内传输射频功率。1893年,在芝加哥哥伦比亚博览会上,他从另外一个房间点亮了灯泡。他发现可以通过使用调谐到与特斯拉线圈LC电路谐振的接收LC电路来增加传输距离,通过谐振电感耦合来传输能量。 1899至1900年期间,在他的科罗拉多斯普林斯实验室,他利用一个巨大的发射线圈产生1000 万伏特级的高压,在大约100英尺(30米)的距离外点亮了三盏白炽灯。今天,特斯拉发现的谐振电感耦合现象已经成为电子学中一个很普通的概念,被广泛应用于中频变压器和短距离无线电力传输系统,如手机充电板。

1899 年特斯拉在科罗拉多斯普林斯实验室的巨大“放大发射器”线圈(左图),灯泡(位于底部)由“接收器”线圈无线供电。右图是特斯拉在其1897年专利中提议的无线供电系统示意图,其中发射器(左)由特斯拉线圈(A、C)组成,驱动由气球(D)悬挂的高架电容端子(B)。 接收器(右)是一个类似的端和谐振变压器。(来源:维基百科)

我们现在认识到,电感和电容耦合是“近场”效应,因此它们不能用于远距离传输。然而,当年的特斯拉确信他可以开发一种远程无线电力传输系统,将电力从发电厂直接传输到家庭和工厂,而无需电线。他声称能够在全球范围内传输电力,使用的方法包括通过地球和大气进行传输。特斯拉认为,整个地球都可以作为一个电谐振器,通过将电流脉冲从接地的特斯拉线圈以升高的电容驱动到地球的谐振频率,可以使地球的电位振荡,从而创造全球地位波,并且可以通过电容天线接收到这种交流电,这种天线可以在地球上的任何一点与之共振。他的另一个想法是,发射和接收终端可以通过气球悬挂在30,000 英尺(9,100米)高空中,那里的气压较低。他认为,在这个高度一层导电的稀薄空气可以让电力以高电压(数亿伏)远距离传输。

特斯拉设想建立一个全球无线电力网络,他称之为“世界无线系统”,可以为地球上的每个人传输信息和电力。100年后,虽然他的梦想还没有实现,但手机甚至电动车的无线充电已经成为现实。他的远大梦想、大胆设想和冒险尝试的精神为现代电子科技的发展奠定了强大的根基。

手机无线充电

Qi是无线充电联盟(WPC)推出的“无线充电”标准,具备便捷性和通用性两大特征。不同品牌的产品,只要有Qi标识,都可以用Qi无线充电器充电。此外,它攻克了无线充电“通用性”的技术瓶颈,将来手机、电脑、手表等电子产品都可以用Qi无线充电器充电,为无线充电的大规模应用奠定了基础。

目前市场比较流行的无线充电技术主要有三种方式,即电磁感应、无线电波、以及共振,而Qi采用了最为主流的电磁感应技术。在技术应用方面,国内公司已经走在了无线充电行业的最前沿。Qi在中国的应用产品主要是手机,这是第一个阶段,以后会扩展到不同类别或更高功率的数码产品中。

2017年10月,苹果发布的iPhone 8系列手机开始支持无线充电功能,它们都支持Qi无线充电标准,为用户带来了很大便利。今年上半年,小米发布了80W立式无线充电座,再次刷新了无线充电功率的新纪录。

小米80W立式无线充电座。(来源:小米)

小米的这种大功率无线充电方案由伏达半导体(NuVolta)提供,采用伏达NU1513主控和集成功率级NU1028芯片,实现了67W的大功率无线充电。这款无线充电器采用两颗功率芯片并联的方式驱动线圈,两路线圈共使用四颗集成功率级芯片。

伏达半导体在无线充电架构上采用创新的Smartbridge架构,高度集成PD与MTP,使得外部器件低于20个,大大简化了设计。

伏达无线充电方案原理图。(来源:NuVolta)

伏达NU1513是一种高度集成的数字控制器,不但可以提供稳定的功率,而且可以与兼容WPC的接收器保持稳定的通信,适用于符合WPC EPP标准的30W无线充电发射器。该器件与NU1028功率级IC一起构成了简单、高性能、高性价比的无线充电发射器解决方案。

伏达NU1028集成功率级芯片内部集成了无线充电H桥功率管和驱动器及稳压电路,可以与伏达的无线充电主控搭配,两颗芯片即可实现完整的无线充电。

基于伏达芯片的无线充电方案已经陆续协助小米开发了55W立式风冷立式无线充电器、30W立式风冷无线充电器、20W立式无线充电器、20W智能追踪式无线充电器、80W立式快充等多款产品。伏达半导体一直深耕无线充电技术的创新和应用,推出的全桥芯片不断增加输出功率,满足越来越高的无线充电需求,同时集成了相关功能,简化了无线充电路设计。

车内手机无线充电

手机无线充电已经从家里、办公室和路上延展到车里。特斯拉为其Model S和X配置了专门的手机无线充电器,可支持任何一款配备Qi无线充电技术的智能手机,即插即充,快速安全,其充电功率可达到7.5W。

特斯拉Model S/X的手机无线充电器。(来源:Tesla)

此外,Tesla也设计了Model 3 手机无线充电器,具有硅胶防滑表面,且易于安装。这种充电器适用于支持 Qi 无线充电技术的移动设备,不限设备尺寸,可同时为两部手机充电。Model 3 无线手机充电器兼容的手机型号包括: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;其他能与Model 3 无线手机充电器一起使用的各种 Qi 认证手机。

专注于无线充电技术和应用的伏达半导体也推出了相应的高功率车载无线充电方案,具有如下特点:

  • 最高输出功率为50W,支持15W EPP
  • 系统效率达到80%,实现业界效率最高
  • 突破性的模拟集成技术
  • 支持多种线圈配置MP-A13/ MP-A9
  • 多路径保证手机充电安全
  • 符合WPC最新协议
  • 车载专用,AEC-Q100认证。

伏达车载高功率无线充电系统框图。(来源:NuVolta)

电动车无线充电

通过无线充电板给手机充电,无论在家里、车里还是路上,都已进入人们的日常生活中。这一切都是基于尼古拉·特斯拉本人在无线传输电力领域的大胆构想和尝试。那么,以他的名字命名的电动车品牌是否将他的无线充电研究应用于电动车了呢?对于电动车,从有线充电转向无线充电是迈向更加自主驾驶出行的重要一步。

电动车无线充电可能吗?是的。感应充电可将电能转换为从磁线圈传输到接收器线圈的磁能。然后再将接收到的磁能转换回电能,并通过车载充电器(OBC)保存到电动车电池中。第一个磁性线圈位于连接到电源的充电板中,而用作接收器的第二个线圈则安装在汽车底部的接收板上。

只需将电动车停在充电板上方,即可通过气隙自动充电,充电板和电动车之间无需任何物理连接。这是一个简单的充电过程,车主不必为充电线缆接口是否匹配而担心了。一旦车子启动离开充电板,无线充电就自动停止。这项无线充电技术现在的主要缺点是充电效率不高,这意味着充满电需要比有线充电更长的时间。

然而,特斯拉目前还不提供电动车无线充电功能,这主要是通过Plugless和WiTricity等第三方服务公司的后装市场升级来实现。

Plugless特斯拉EV无线充电示意图。(来源:Plugless)

Plugless的无线充电系统主要由3个部分组成,包括控制面板、车辆适配器和停车垫。控制面板是整个设备的大脑,它连接到家庭或工作场所的电源插座。当车辆进入停车位时,控制面板会自动开启。然后就开始给停车垫供电,停车垫中的线圈会将电能转换为磁能,磁能可以安全地通过空气传输到车辆适配器。最后,车辆适配器再将磁能转换回电能,电能通过车载充电器(OBC)为电动车充电。 

这种充电的优点是室内和户外都可以安装、无需人工操作,同时还支持EV线缆充电。其缺点是充电慢、连接控制面板和停车垫的线缆一旦固定不容易移动。此外,目前这种充电系统的车辆适配器还仅限于几款车型,包括特斯拉Model S、BMW i3、Nissan LEAF和Chevrolet Volt。

Connected Curb是英国一家电动车充电初创公司,专注于住宅市场,因为汽车95%的时间都会停在家里。这种市场策略可以使他们专注于较低充电效率的服务,而不必与商业和办公区域的快速充电服务直接竞争。该公司的充电设备埋在地下,与地上安装方案相比,有许多优势,比如不会对路人造成任何绊倒危险,无线EV充电设备非常安全,不容易受到损坏。但器缺点也很明显,充电比较慢,设备一旦出现故障难以维修。

Connected Kerb的EV无线充电示意图。(来源:Connected Kerb)

动态无线充电道路

车停下不动可以无线充电,我们更进一步设想,行驶中的电动车是否也可以无线充电呢?一种称为动态无线充电(Dynamic Wireless Charging)的技术可以实现对行驶的电动车进行充电。这种无线充电技术的基本原理是,通过埋于地面下的供电导轨以高频交变磁场的形式将电能传输给运行在地面上一定范围内的车辆接收端,进而给车载储能设备供电,可使电动车搭载少量电池组,延长其续航里程,同时电能补给更加安全、便捷。

这种动态无线充电的原理和静态无线充电差不多,但是技术上的实现难度要大得多。最主要原因是传输距离变大了,动态传输线圈是铺设在路面下的,至少要几十厘米的传输距离。

可别小看这几厘米的间距,如果你在给手机无线充电,若把手机微微抬起,可能就不能充电了。另一个技术问题是电磁辐射,大功率传输电能需要建立高频强磁场,但是驾驶员接受到的电磁辐射必须小于一定的安全值。

ElectReon无线是一家成立于2013 年的以色列初创公司,现已在以色列和瑞典铺设了6公里长的动态无线充电道路,并且正在德国和意大利开展类似的项目。ElectReon 使用 1.2 米长的线圈埋在道路深处,为车辆供电。为了测试这项技术,ElectReon在一辆巴士底盘下安装了三个接收器,利用无线感应为巴士充电。路面的沥青层可将路人触电的可能性降为零,因此安全不是问题。该公司在以色列特拉维夫北部一条2公里长的公路上铺设了这种线圈,每段充电线圈有100米长,相距200 米进行铺设。巴士在这条路段上形式可以自动充电,不需要到专门的充电桩充电了。

一辆40吨重的卡车正在瑞典的无线充电测试道路上行驶。(来源ElectReon)

电动车无线充电在快速发展,其中一个原因是客户担心充电的麻烦。美国总统拜登计划2030年在美国建立50万个充电站,耗资150亿美元。德国正在法兰克福、汉堡和斯图加特周围测试电动高速公路,预计到2030年道路上将有多达1000万辆电动车,是目前的20倍。瑞典的目标是到2045年实现零净排放,计划到2037年建设2,400公里的电动车充电道路。

中国在动态无线充电道路方面的进展如何?2018年8月,由电科院和哈工大牵头的国内首条百米级电动车移动式无线充电实验路段通过验收,功率为20kW,转化率达80%。

蓝色条就是铺设的无线充电线圈。

最近,全国首个60千瓦等级电动车移动式无线充电示范工程在广西南宁顺利通过验收。该项目由广西电科院设计规划,针对电动车大功率移动式无线充电需要突破的充电功率小、抗偏移能力差及系统稳定性不足等关键技术开展技术攻关,成功解决了逆变器同步控制、线圈设计、车载保护、车端改造等关键技术难题。这段示范工程充电车道长53米,宽3米,无线充电额定输出功率60千瓦,充电效率达到80%以上,对外电磁辐射小于6微特斯拉(远低于国标要求的27微特斯拉),可实现对行驶中的电动汽车快速补电,将率先在快速公交车、旅游景区观光车、机场摆渡车等固定线路推广应用,并逐步推广到城市道路及高速路应用。

结语

在电力传输上,无线和有线表面上看起来只是一根线的区别,而其背后却需要复杂的电磁技术。自从尼古拉特斯拉于100年前提出无线电力传输系统的构想,一代一代的科学家、工程师和企业不断创新和尝试,才得以让无线充电进入普通人的生活。从在家里和路上为手机充电,到在车里为手机充电,再到为电动车充电,人们不再被一根线所缠绕,就可以轻松为各种电子设备充电了。

责编:Amy Guan

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顾正书
电子工程专辑(EETimes China)主分析师。以深圳为坐标原点,扫描全球电子和半导体行业。专注于China Fabless和SoC设计细分市场的分析和学习,欢迎交流。
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