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作者:徐業良(2013-12-15);推薦:徐業良(2013-12-15)
附註:本文發表於汽車購買指南雜誌,2014年一月號,史丹福專欄。

無線充電技術將成電動汽車主流?

九月份搬家回桃園時重新裝潢了一下舊房子,廚房流理台改成使用電磁爐。電磁爐是利用電磁感應原理加熱,女兒國中時物理課本就有電磁感應這一段,所謂「電生磁、磁生電」,電磁爐台面板下方有一組銅製線圈,接上電源之後產生強弱不斷變化的交流磁場。鐵磁性金屬器皿(像是炒菜鍋)放在爐面上時,交流磁場使器皿底部產生感應渦電流;渦電流在器皿內部循環流動沒有出口,受到電阻便轉化成為熱能-鍋子熱起來就可以炒菜了。

不知道您有沒有用過電磁爐,我剛開始用也挺不習慣的,電磁爐不但看不到火,連爐面熱度也感覺不到,煎個荷包蛋都很難掌握火侯。不過用久了之後覺得這是很好的能量傳遞方式,電能「隔空感應」傳給炒菜鍋再轉換成熱能(爐面不燙、鍋子燙),比起瓦斯爐或是電爐直接以高溫傳遞熱能的方式安全許多,能量由電能轉換成熱能的效率也比較高。

Hello,這裡是汽車購買指南,電磁爐和汽車有甚麼關係?

OK,如果電磁爐上放的炒菜鍋換成另外一組充電線圈,充電線圈放入強弱不斷變化的交流磁場中時會產生感應電流,再透過簡單整流電路轉換成穩定的直流電,就可以對電池「隔空充電」。

沒錯,無線充電(wireless charging)技術就是這個電磁感應原理。前一陣子Nokia的新款手機Lumia採用了這個無線充電技術,手機內部加裝了一組充電線圈,把手機平放在像電磁爐一樣的無線充電板上,不必插任何插頭就可以對手機充電了。這種無線充電方式其實也不是很新的技術,常看到的電動牙刷便是採用無線充電的方式,牙刷放置在充電座上就可以充電,無線充電沒有直接的電流傳輸,可以避免在浴室潮濕環境中插拔插頭充電可能造成的危險。

早期手機的充電器還會分成「座充」和「旅充」。「旅充」是直接把手機插上電源充電,如果您還記得,每家廠牌手機的「旅充」插頭規格都不同,完全不能共用;座充就更麻煩了,除了接頭之外底座還要符合手機外型。現在手機充電標準大一統,絕大多數手機都是直接插上標準的mini USB接頭充電,反而比較少看到「座充」了。Nokia這項最新的手機無線充電板使用上比較像「座充」,無線充電板插上電源放在書桌或床頭,手機往上一放即可充電,還可以一次同時放上兩三支手機一起充電,當然前提是手機要內建有充電線圈和相關充電電路才行。

Hello,這裡是汽車購買指南,電動牙刷、手機和汽車有甚麼關係

中間的關係是,如果手機的無線充電技術用在電動汽車的充電?

電動汽車的市場要能蓬勃發展,電池充電技術一直是最重要的拼圖之一,比起傳統汽油引擎車,電動汽車本身有電池容量小、充電慢、續航力較差的先天限制,充電設施能否普及更密切牽動電動汽車使用者的接受度。

目前來說直接插上插座所謂“Plug-in”的充電方式是電動汽車充電技術的主流,2013年底的統計,全世界大約有64,000Plug-in電動汽車充電站,這個數字隨著電動汽車市場發展持續穩定增加之中,估計2020年會增加到20萬個。再加上家庭車庫中裝設的Plug-in電動汽車充電設備,各種電動汽車充電所需要的設備銷售量也會在未來十年中持續成長,市場分析預估總產值在60億美元左右,也算是一塊市場大餅。

除了Plug-in的充電方式之外,許多電動汽車廠商已經開始嘗試將無線充電技術應用在電動汽車的充電。和前面提到電動牙刷和手機無線充電的方式完全相同,電動汽車無線感應式充電也是使用一塊埋藏線圈的無線充電板,連接電源之後產生交流磁場,電動汽車停在無線充電板上方,汽車底盤上裝置的充電線圈進入這個交流磁場內便會產生感應電流,經過整流之後對電動汽車的電瓶充電。

這種充電方式只要把車子停在您家中車庫或者停車場車位的無線充電板上方就可以開始充電。從車主的使用情境來設想,您下車時經常急急忙忙趕著上班或赴約,或者手上拎著一堆大包小包,如果還得記得幫電動車Plug-in充電,手忙腳亂地操作一大堆電線和插座,無線充電方式的確要方便許多。許多電動汽車廠商都同意,無線充電才是未來電動汽車被廣泛使用時可行的充電技術。

像當年手機充電規格不一的情況一樣,現今電動汽車的無線充電技術還沒有一個共同的標準,面對未來可能的龐大商機,各家廠商都希望自己的技術成為市場主流,並各自組成不同的聯盟團體,準備大打一場動汽車的無線充電技術標準之戰。不過最近看起來電動汽車的無線充電技術有逐漸明朗的態勢,以美國為主要基地的汽車工程師協會(Society of Automotive Engineers, SAE)長期以來主導了許多汽車相關標準的訂定,SAE組織了一個全球性團隊共同討論更新電動汽車無線充電標準J2954,最近已經對無線充電技術最重要的一項規格電能轉換頻率達成共識,規劃採用將採用85 kHz頻率。

許多廠商也早已摩拳擦掌投入85 kHz無線充電技術開發,如英國的Qualcomm公司宣稱2016年底之前,應該就有採用85 kHz無線充電技術的電動車量產。電動汽車無線充電和電動牙刷、手機無線充電儘管原理相同,但技術上要突破最大的重點,就是對汽車電池充電所需功率大得多。Qualcomm公司表示20千瓦的無線充電技術預計在明年就會出現,該公司將在巡迴各國的“Formula E”電動車賽車系列中測試,用來對賽車中的跑道安全維護車無線充電,“Formula E”下一個賽季所有參賽的電動跑車也都將採用無線充電。

美國的一家叫作“Evatran”的公司腳步更快,已經正式推出一款叫作“Plugless Power”的電動汽車無線充電系統,連售價都有了,日產Leaf電動車要採用Plugless Power無線充電系統報價3,098美元,包括裝置在地面上的停車墊(Parking Pad)、指示面板、和汽車本身的改裝,Chevrolet Volt電動車則報價2,998美元。Evatran公司宣稱Plugless Power充電日產Leaf充到飽需要8小時、Chevrolet Volt需要3小時,電能轉換效率達90%,與主流的Plug in電動車充電方式不相上下。

日本的日產汽車也是電動汽車的強權之一,Leaf一直是其電動車的代表車種。日產也預告明年底將推出的Leaf表親電動車Infiniti LE,將採用MIT美國麻省理工學院授權一家名為“WiTricity”(無線電力,Wireless electricity)公司的無線充電技術。其他電動汽車無線充電技術異業結盟也逐一成形,像是日本豐田汽車也和WiTricity公司及汽車零件大廠Delphi公司結盟,BMW和西門子、Bosch、以及前面提到的Evatran公司結盟,共同推展電動汽車無線充電技術,甚至能源領域的老大哥GE美國通用電氣公司也看好電動汽車無線充電領域,準備投入戰局。

從電磁爐、電動牙刷、手機到電動車,無線感應式充電是一個方便又有效率的方法來作能量轉換,安全性也相當高,似乎有很大的潛力。電動汽車無線充電技術雖然才剛剛起步,已經有越來越多下一步發展的討論,既然是無線充電,電動車不需要靜靜地停在停車位上,如果能讓汽車在道路上行駛時也能以無線方式感應充電,例如在高速公路上除了現有的共乘車道之外也設置電動車「充電車道」,在路面連續設置一連串的無線充電板,電動車快要沒電時開上充電車道行駛,便能夠即時充電。

這項「動態無線充電(dynamic wireless charging)」技術可不只是想想而已,瑞典富豪汽車已經和瑞典電力公司Alstom合作,在富豪汽車測試場地中建立了一條四分之一英哩長的測試道路,沿路埋藏無線充電線圈,來評估這項技術的可行性。

南韓有一所大學「韓國先進理工學院(Korea Advanced Institute of Science and Technology, KAIST)」,常常以麻省理工學院MIT為競爭對向,也積極投入動態無線充電技術研發。南韓的手筆更大,KAIST在昆美市一條24公里長的環市道路上建立動態無線充電設施,以大型、高功率的傳輸線圈,對12部電動公車行駛時充電。KAIST發表的報告指出,他們的技術採用20 kHz的頻率,公車底盤較高,與充電設施相隔17公分,便可以100千瓦高功率充電,電能轉換效率在85%

靜態的無線充電板,提升了電動汽車充電的方便性,似乎終將成為電動汽車的主流。如果動態無線充電技術得以成真,更將革命性地解決電動汽車充電慢、續航力較差的基本問題,可能將電動汽車推上汽車主流呢!