电动汽车开疆之臣,浅谈无线充电技术

2013-11-18 19:14:12来源: 互联网
    无线充电的历史要追溯到1901年。这一年,与托马斯·爱迪生齐名的发明者尼古拉·特斯拉获得金融家约翰·皮尔蓬·摩根的资助,在纽约长岛建立了187英尺(约57米)高的无线充电塔——沃登克里夫塔。在这之前,特斯拉曾在科罗拉多州进行实地试验,成功点亮了25英里(40公里)外的200盏电灯。据目击者称,他们能看到在双脚和地面间跳跃的电火花,在打开水龙头时,也有电流随着水流流出。虽然项目以失败告终,特斯拉本人也因此破产,但却不失为充电史上的创举。

    一个世纪之后,无线充电的研究迎来了新的源动力,应用范围也非常广泛——小到电动牙刷、遥控器、智能手机,大到电动汽车、石油钻塔。从初创公司如WiTricity、ProxybyPower到行业巨头丰田、日产、沃尔沃、英特尔和三星等,都纷纷加入到了研发行列。

原理与实现方式 

    先科普一下无线充电技术的原理和实现方式。

    说到无线充电技术的原理,已经不是多神秘的东西了,在一些智能手机上已经被实现并商业化了。无线充电的原理也很简单,在发射端将电能转换成电磁波并发射出去,接收端接受到电磁波之后,再将其转换成电能,就可以进行充电了。目前共有三种不同的实现方式:电磁感应式、无线电波式以及磁场共振式,三种方式也是各有优劣。

    电磁感应式,即是使用两个互感线圈进行无线充电。当输入端线圈中的电流发生变化时,输出端线圈的磁场即会随之发生改变,从而产生感应电流,将能量从输入端转换到输出端。使用电磁感应的原因进行无线充电要求两个设备的距离必须很近,并且只能一对一进行充电,充电时必须对准线圈。不过,能量转换率高,传输功率范围较大,能从几瓦到几百瓦。

    无线电波式,即是通过接收无线电波进行无线充电,原理与矿石收音机类似。不过这种方式的传输功率非常小,最高仅为100毫瓦,且功效很低,大部分的能量会以无线电波的形式被浪费掉。在传输距离上稍有优势,最远距离为10米。

    磁场共振式,即是通过电磁共振的方式进行无线充电,原理与声波共振类似,只要两个介质具有相同的共振频率,就能够传递能量。这种方式的充电距离在电磁感应式与无线电波式之间,优点是传输功率较大,能够达到几千瓦,可以同时对多个设备进行充电,不要求两个设备之间线圈对应;缺点就是损耗很高,距离越远,传输功率越大,损耗也就越大,最麻烦的是必须对使用的频段进行保护。

    从以上三种方式的优劣中,不难发现,仅有电磁感应式和磁场共振式在电动汽车的无线充电上有实现的可能。不过,孰优孰劣,就要靠市场和消费者自己来进行抉择了。

    说了这么多理论知识,下面来看几个在无线充电上取得了阶段性成果的实例吧。

日产:2014款聆风将实装无线充电技术

    2011年,日产即宣布取得了无线充电技术的成果,并于2012年确认,将在2014款聆风上实装该项技术。日产也是全球汽车制造商们中第一个明确制定时间表的。

    日产的系统采用了电磁感应的方式,车辆通过与感应线圈产生感应而进行充电。该充电系统可以内置于地板中,也可以以充电桩的方式安装在室外。需要充电时,车主只需将车开到感应线圈的范围内,系统将自动检测到车辆,车主通过应用程序启动和关闭充电过程。充电系统的安装位置和外界的天气情况均不会对充电时间造成影响。

丰田:投资WiTricity,开发磁场共振充电技术

    同样在2011年,丰田也宣布开发出了无线充电系统,与日产不同的是,这套系统采用的是电磁共振的方式。

    丰田选择的开发伙伴是美国的WiTricity公司,除了丰田之外,各行各业都有看中了这项技术的土豪们给WiTricity进行了投资,如英特尔、富士康,还有石油行业的Schlumberger。

    WiTricity是发明了电磁共振无线充电方式的麻省理工学院(MIT)研发人员在2006年建立的风投公司。2007年,MIT发表了研究成果,并在实验中成功于两米外点亮了一盏60瓦的灯泡。

沃尔沃:与Flanders Drive共同研发

    沃尔沃在无线充电上的研究成果是最近才公布的。如同将电池嵌入车身覆盖件的项目一样,无线充电项目也是同其他组织和企业组成的联合团队共同研究的。项目由Flanders Drive开创,沃尔沃给研究团队提供了一辆C30电动汽车,其电池组容量为24千瓦时,输出功率为120马力。

    由于磁场共振的特性,只要电动汽车进入了充电系统的覆盖范围,即可以自动开始充电过程,无需进行额外的操作,也不需要开发专门的控制程序。

    研究团队开发了两种不同的充电方式,一是由Bombardier提供的20千瓦、380伏特的三相交流快速充电系统;二是由Inverto提供的3.8千瓦、240伏特的直流慢充系统。其中交流充电系统除了在乘用车上之外,还在公交车上进行了验证。

    最终的试验数据表明,使用交流快速充电系统,可以在2.5小时内将C30充满电。

    除了这三家制造商之外,奔驰、奥迪和特斯拉也在进行无线充电技术的研究;雷诺汽车与高通公司合作,开发基于雷诺电动汽车的无线充电系统;而于2014年开赛的纯电动版F1,也将采用无线充电技术。 

无线充电真的是众望所归么?

    对于汽车制造商们来说,无线充电的意义重大。如果能够全面普及无线充电技术,就能够极大地提高电动汽车充电的便利性,不管是在充电过程上,还是在续航上,都将大大增加人们对于电动汽车的接受度。可以说,成熟发展的无线充电技术,将会是电动汽车占领市场的开疆之臣。然而,关键就在于,他现在还并不成熟。

    安全问题。无线充电技术不管是采用电磁感应式还是磁场共振式,都有发射能量和接受能量的过程,因此,充电过程的安全性饱受质疑,人们都在担忧是否会造成辐射。尽量MIT和沃尔沃的研究团队都表明电磁共振使用的磁场与地球磁场类似,对于人类的健康并无影响,但是取得消费者的信任依然是个漫长的时间。

    未形成统一的标准。与有线充电技术一样,标准化也是阻碍无线充电技术发展的障碍之一。电磁感应和磁场共振两种方式孰优孰劣还未产生定论,单就其中一种方式而言,不同的企业和研究组织也使用了不同的标准。最简单的,无线充电技术中所使用的线圈形状就是个问题。目前业内使用的主要有圆形和方形两种,然而形状不同,磁路不同,线圈之间就无法高效地传递能量。圆形和方形线圈也各有优劣,厂商的选择也不尽相同。互不兼容的方式和设备,让没有统一标准的无线充电技术,难言发展和普及。

    成本与电网负荷。成本与普及之间永远存在着典型的“鸡与蛋”的问题,尤其目前的无线充电设备为了保证传输效率,所采用的线圈尺寸均较大,成本均较高,维修费用也大。另外,从沃尔沃充电设备的实验数据中不难看出,目前磁场共振方式中能量转换率还是很低的,用电成本也会随之增加。同时,能量的损耗会随着传输功率和传输距离的增加而增加,当多辆电动车同时充电时,对于供电系统的负荷也将大大增加。如果要对城市的电网进行相应改造,也是一笔很大的经济投入,或许就是得不偿失。而且,无线充电技术无法支持V2G,仅仅是单纯地增加了电网负荷。    

    当然,还有一些实际运行时需要考虑到的问题,比如付费的方式。     

小结:

    事物都具有两面性,无线充电也不例外。不可否认,无线充电技术的普及,将会带来极大的便利性。由于无线充电设备安装便利,可以在停车场、高速公路服务站等地方安装,降低电动汽车固有的里程焦虑问题,但是,没有国际或者至少国家统一标准,没有解决成本问题,没有打消消费者们的安全疑虑,这一切,都是空谈。车云菌认为离无线充电的普及还有很长的一段路要走,大概不会短于自动驾驶,元芳们,你们怎么看?

关键字:浅谈  技术

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2013/1118/article_8184.html
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