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邊開車邊充電,電動車動態充電技術解析

2017-08-16

充電對於電動汽車來說像是Bug一樣的存在,如果有一天,電動汽車擺脫充電樁的束縛,不用到處找充電樁,充電比加油還方便那該有多好。

  看到這裏大家應該都明白今天要討論的主題了,無線充電。不過不同於停在車位裏的無線充電,我們今天要討論的是邊開車邊充電的技術。當然了它還有一個非常學術的名稱,叫做電動汽車動態充電(DEVC)技術。

 想象一下,電動汽車不用刻意充電,每天開在路上就能充電,帶來的好處多多。首先可以給電池“減負”,因為可以隨時隨地給車充電,所以大容量的電池不那麼必要了,車輛的載重也隨之下降。

  其次充電再也無需等待,現在電動汽車充電始終無法做到像汽油車加油一樣方便,而無線充電可以邊開邊充,減少時間成本。最後解決了續航裏程問題,電動汽車的續航裏程被無線拉長,裏程焦慮問題不存在了。

  聽起來挺天方夜譚的?其實從理論上來說,它實現起來並不難,我們先來了解一下它的原理。

  一、無線充電是怎麼回事?

  還是從無線充電說起。我們知道無線充電靠的是電流和磁場,電和磁這對相愛相殺的CP,經常在一起搞事情。

 1819年,丹麥科學家奧斯特觀察到一段導線上如果通有電流,四周就會產生磁場。後來人們發現,將導線圍成環狀,甚至繞成線圈,產生的磁場將會更強、更集中,這稱為電流磁效應。

1831年法拉第發現,如果讓一塊磁鐵或其他的磁場來源靠近一段沒有電流的線圈,線圈上就會產生感應電流,這稱為電磁感應。

  那麼如何讓電和磁發生作用,穩定地給我們輸出電流呢?

  我們需要兩個線圈,把一個線圈通上電,那麼這個線圈周圍就有了磁場;接著我們將另一個線圈靠過去,那麼這個線圈就有了電流。電流引導到電池內,就可以完成無線充電了。

運用到汽車領域,這就是電磁感應式無線充電。

  我們給位於地麵的線圈通上交流電,隨著電流大小和方向的改變,線圈周圍的磁場強弱和方向也不斷改變,形成一個交互磁場。這時車輛底盤的線圈就處在一個不斷變化的磁場中,線圈內部會產生一個交互電流,通過一係列電路整流後,實現給電池充電。

  二、被逼出強迫症的無線充電

  電磁感應式無線充電是各大汽車公司在研究無線充電初期比較喜歡采用的技術。

奔馳、奧迪、沃爾沃等汽車公司都曾經研究出一批電磁感應無線充電的車型。

在停車位上會有個長得像是墊子一樣的東西,其實它是一個初級線圈,用來產生磁場。可用於無線充電的車輛底盤也會有一個線圈,我們稱之為次級線圈,用來產生電流。

  不過電磁感應式無線充電有一個很大的弊端,那就是距離。這種技術想要產生電流,兩個線圈必須“嚴絲合縫”地相對,一旦發生偏差,電流就不會產生。

所以這樣的技術往往需要搭配精準的自動泊車技術,要讓車輛正好停在無線充電的墊子上方。

  聽起來就覺得很麻煩是不是?這是要讓人人都練成處女座加強迫症的節奏。

  於是,科學家們就研究另一種無線充電技術,那就是磁場共振無線充電。我們知道當兩個物體采用相同的振動頻率,或者說在一個特定的頻率上共振,它們就可以交換彼此的能量。

  磁場共振,就是初級線圈產生一個以固定頻率振動的磁場即諧振磁場,然後讓次級線圈磁場的振動頻率與之相同,產生共振,最終實現能量轉移。

2007年,麻省理工學院的研究團隊通過一個電磁共振器成功點亮了一個2m開外的60W燈泡。

  在汽車領域,豐田在2012年就做過實驗,在一輛插電式混合動力的普銳斯上,增加了一個可按照一定頻率振動的次級線圈。停車位上有一個諧振磁場,當它們都按照相同的頻率振動時,次級線圈就能將諧振磁場的電流轉換過來。

  這個無線供電係統的輸出功率為2kW。使用頻帶是在國際上取得共識的85kHz,電力傳輸效率約為80%。

  在這個驗證實驗中,地麵的諧振磁場與車輛底部的次級線圈的距離約為15cm左右。水平錯位的最大允許範圍是一條輪胎的寬度(20cm左右)。

  高通也曾經推出過無線充電係統,名為Halo,不過也停留在靜態無線充電。

 采用磁共振效應實現地麵充電墊與電動車充電板之間的能量傳輸,這套充電係統功率可達20kW,充滿85kWh的特斯拉MODEL S P85的電池組大約需要5h。

  三、讓電動汽車動起來

  如果將充電墊或者說是諧振磁場放到道路裏,那麼車輛就可以實現邊跑邊充電了,從此告別充電樁。

在今年5月份的時候,高通在巴黎使用一台雷諾全電動的Kangoo廂式貨車完成了動態無線充電道路測試。

兩輛電動汽車按照不同速度,行駛在這條100m長的道路上,同時完成了充電。測試中,Kango測試車的時速達到100km/h,最大充電功率能達到20kW。

 高通建設的這條長100m的道路測試包含4塊能量供給單元,每個單元負責25m道路的電量供應。同時,每25m長的能量段擁有與14個子模塊,內含線圈和能量轉換電路。

 至於成本問題,雷諾、法國電力公司和法國北部高速公路公司的一項研究指出,建設動態充電道路的成本為400萬歐元/km(雙車道),價格可以說是相當昂貴了。

  如此“金貴”的道路看來隻能先在公交道上普及了。在韓國,韓國科學技術院(KAIST)就在南部龜尾市的火車站建設了一條12km長的動態充電道路,跑在上麵的電動公交車就是利用磁場共振實現無線充電。

說完了國外,我們國家在無線動態充電上的研究也不落人後。比較知名的有中興通訊,目前已經在重慶、湖北等地展開無線充電示範線的測試。

  無線動態充電目前還處在研究狀態中,離大麵積普及還有很長的一段距離。隨便一想就有一大堆問題還沒有解決,比如車輛的兼容性能否一致,道路是開放的還是封閉的,公路的電流能否負荷多輛車進行充電?另外還有道路的監測和養護。這些都是無線動態充電的攔路虎,不過科技總是在不斷發展的,相信科技的力量,充電的難題總會解決。電動汽車邊開邊充電絕對不是癡人說夢。