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无线充电新方案:让电动汽车未来实现行驶中充电!

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作为新能源汽车的代表,电动汽车最大的优势就是节能环保。可是,充电问题和续航里程,一直是大众关注的焦点,也是市场的关键痛点。目前,电动汽车主流的充电方式有:便携式充电线充电、家用充电桩充电、快速充电桩充电、慢速充电桩充电、超级电站充电等,而这些都属于需要插入充电线的有线充电方式。

如今,无线充电技术方兴未艾,已覆盖智能手机、消费电子、智能家居、智能穿戴、医疗设备、交通运输等诸多领域。电动汽车的无线充电也越来越受到重视,特斯拉、VOLVO、奥迪和宝马等车企都已开始研发或测试电动汽车的无线充电系统。电动汽车的无线充电技术优势明显、潜力巨大,例如:占地面积小、充电便利性高、无需人工值守、维护成本低等。

如今,主流的电动汽车无线充电技术都是停车时充电。然而,去年高通(Qualcomm)发布的一项具有革命性意义的“动态”无线充电技术,让汽车可以在路上边跑边充电。Qualcomm 已经在巴黎使用一台雷诺旗下的全电动Kangoo厢式货车完成了一段100米长的动态无线充电道路测试。

创新

然而,今天笔者要介绍的技术与高通的动态无线充电技术有“异曲同工之妙”。近日,美国科罗拉多大学波尔得分校(University of Colorado Boulder )的工程师们开发出一种让电动汽车未来实现行驶中无线充电的新方案。

这项研究由科罗拉多大学波尔得分校电气工程系计算机和能源工程专业的助理教授 Khurram Afridi 主导。过去两年,Afridi 以其同事开发出一个处于概念验证阶段的无线电力传输装置,在非常高的频率下,通过电场传输电能。

技术

目前,大多数电动汽车一次充电,能够行驶的距离在100英里到250英里之间,具体的行驶距离取决于汽车的型号和款式。但是,大多数国家的充电站较少且相隔遥远,因此驾驶员需要事先规划好行程。Afridi 表示,这项技术可以解决这个问题。

Afridi 说:“在高速公路上,你将拥有一条用于充电的车道。” 增加这条充电车道之后,当需要提升能量时,汽车可便捷地行驶到车道中充电。因此,汽车携带的电池可以变得更小,从而降低了车辆的总体成本。如今,一些小型消费电子产品已具备无线充电功能,当物体位于插入插座的特制充电板上时,可从充电板中吸收电能。

然而,要将这种功能复制到正在行驶的汽车上,困难要大得多。从公路到汽车的物理距离更远,需要的能量将多得多。高速公路上行驶的汽车,在任何一块充电板上,逗留不会超过一秒钟,因此每隔几米就要安放一个充电板,保证持续充电。此外,为一部智能手机充电仅需5瓦的功率,而笔记本电脑则需100瓦。但是,行驶中的电动汽车将需要几万瓦的功率,比笔记本电脑高两个数量级。

迄今为止,大多数的无线充电技术研究都是通过磁场传输能量,也称为“感应法”。强度水平适合大量能量传输的磁场,比等效的电场更容易生成。磁场以类似圆圈型的图案往外传输,因此需要使用脆弱且有损耗的磁性材料,保持场和能的定向,结果会带来一个昂贵的系统。相比而言,电场本身就是以较直的线传输。在他的创新研究中,Afridi 想要利用电场定向更好的天性,并相应地降低成本。

采用电场进行无线电力传输(电容方案)的挑战在于:高速公路与电动汽车之间的大空隙,会使得能量传输所通过的电容变得非常小。

Afridi 表示:“大家都认为,通过如此小的电容无法传递那么多的能量。但是我们认为,要是我们增加电场频率,结果又会怎样呢?”

在他的实验中,Afridi 和他的学生们安装了相互平行的金属板,之间相隔12厘米。底部的两个板代表了高速公路中的发射板,而顶部的两个板代表了汽车内的接收板。Afridi 拨一下开关,能量便从底部发射出来,顶层板上的灯泡即刻亮了起来(电力的传输是无线的)。设备已经稳步提升至这样的效果:在兆赫的频率下,传输功率达几千瓦。

Afridi 表示:“当我们传输能量跨越12厘米,突破了千瓦的藩篱时,我们感到很兴奋,那一天我们拍手相庆。”

价值

未来,通过这种低成本充电板,可以跨越很远的物理距离,向正在移动的平台发送大量电能。这种能力将使得这项技术可以拓展应用于小型消费电子产品例如手机,并能为汽车等体积更大的物体充电。

通过将行驶中的无线充电技术应用于电动汽车领域,有望打破传统充电桩的限制,让充电变得更便捷,节省时间和资源,最终将有利于电动汽车进一步的推广和普及。

未来

Afridi 计划继续开发这一原型,并且拓展它用于潜在的真实世界应用。他已经得到了美国能源部 ARPA-E 部门和美国国家科学基金会 CAREER 奖金的资助。近期,来自美国科罗拉多州科罗拉多能源研究合作实验室的种子基金的支持,让Afridi 能与科罗拉多州立大学和美国国家能源部可再生能源实验室(NREL)展开合作,使他可以探索可行性并优化这个行驶中的无线系统。

在短期内,Afridi 希望这一技术将应用于仓库。例如,自动化仓库机器人和叉车,将可以在具有无线充电的区域移动,不再需要插入式充电,从而减少了停工期并提高了产量。这项技术也可用于新一代交通运输项目,例如Hyperloop 项目,它将使得从洛杉矶到旧金山的时间缩短至30分钟。

这种行驶中的无线充电技术,最大的难度在于道路建设和系统部署,将需要为电动汽车留出一条专用充电车道,并配备相应的无线充电设施。因此,除了技术问题,经济相关的问题也不容忽视。

关键字

无线充电、电动汽车、新能源

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