無線充電，又行了？

汽車商業(yè)評(píng)論2024-03-29 13:58

汽車商業(yè)評(píng)論

撰文 / 錢亞光

編輯 / 涂彥平

設(shè)計(jì) / 趙昊然

來源 / ornl.gov, livescience.com, says.com

作者 / Keumars Afifi-Sabet, Suvrat Kothari, Syazwan Bahri

可能在不久的將來，你只要把電動(dòng)汽車停在車庫或停車場(chǎng)的特定車位上，不用插拔煩人的充電線，不用下載充電應(yīng)用程序，車輛就會(huì)通過無線充電設(shè)備自己把電充好。

無線充電，有可能會(huì)發(fā)展成為一個(gè)單獨(dú)的巨大的市場(chǎng)。根據(jù)加拿大調(diào)研公司Nova One Advisor的報(bào)告，2022 年全球電動(dòng)汽車無線充電市場(chǎng)規(guī)模約為3406萬美元，到2032年預(yù)計(jì)將達(dá)到212億美元，年復(fù)合增長率高達(dá)90.3%。

據(jù)3月12日發(fā)布的一份聲明，美國田納西州橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）的科學(xué)家們使用帶有旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的“多相電磁耦合線圈”為一輛續(xù)航里程約為261英里（約420公里）的現(xiàn)代科納電動(dòng)汽車無線充電。

ORNL研究人員在使用多相電磁耦合線圈演示以100千瓦功率向電動(dòng)汽車進(jìn)行無線充電

攝影：Genevieve Martin

來源：美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室

系統(tǒng)采用直徑14英寸（約36厘米）的充電設(shè)備原型，經(jīng)5英寸（約13厘米）的空間間隙向電動(dòng)汽車充電，功率為100千瓦，充電效率高達(dá)96%，與目前一些高速公路上的有線充電樁相當(dāng)。

“我們已經(jīng)為這類車輛的無線充電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了世界上最高的功率密度。”參與這項(xiàng)工作的ORNL研究員奧馬爾·奧納爾（Omer Onar）在聲明中說，“我們的技術(shù)比傳統(tǒng)的線圈技術(shù)高出8-10倍的功率密度，可以在20分鐘內(nèi)將電池電量提高50%。”

作為參考，美國最快的電動(dòng)汽車有線充電樁提供的功率在50千瓦至350千瓦之間，而美國家用的充電電纜輸出功率為1千瓦。

傳統(tǒng)的無線充電裝置充電功率不超過20千瓦，使其難以廣泛采用。此外，它們的巨大占地面積和特定的氣隙要求使其在公共場(chǎng)所安裝具有挑戰(zhàn)性。然而，ORNL的新型無線電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)為這些限制提供了突破性的解決方案。

新穎的線圈設(shè)計(jì)

ORNL在20世紀(jì)40年代率先造出原子彈，并在超級(jí)計(jì)算、材料科學(xué)和能源存儲(chǔ)方面取得過多項(xiàng)突破。其早在2016年就開始了汽車無線充電研究，并開發(fā)出世界上第一個(gè)電動(dòng)汽車無線充電器，功率為20千瓦。到2018年ORNL已將臺(tái)架測(cè)試中的無線充電功率提高到了120千瓦，效率高達(dá)97%。

研究人員稱，最新的無線充電系統(tǒng)是目前世界上該級(jí)別汽車無線充電系統(tǒng)中最高的功率密度，是一項(xiàng)突破性的、里程碑式的成就，為電動(dòng)乘用汽車快速高效的無線充電打開了大門。

無線充電自19世紀(jì)尼古拉·特斯拉證明磁共振耦合以來就存在了。這項(xiàng)技術(shù)在手機(jī)和智能手表中以小規(guī)模存在，但在電動(dòng)汽車上實(shí)現(xiàn)無線充電是相對(duì)較新的。

無線充電技術(shù)主要包括微波無線充電、電磁感應(yīng)式無線充電、電磁共振式無線充電三種。目前電動(dòng)汽車無線充電主要是采用電磁感應(yīng)和電磁共振兩種方式。

以往的電動(dòng)汽車無線充電多采用的是電磁共振，依賴于銅線圈形式的大型磁環(huán)天線來創(chuàng)建振蕩磁場(chǎng)。這會(huì)在接收天線中產(chǎn)生電流。然后，每個(gè)線圈都在相同的頻率上共振，電力就可以傳輸。比如美國的WiTricity，日本的豐田、本田等都是用這種方式。

ORNL的輕量級(jí)多相電磁耦合線圈設(shè)計(jì)，允許在較小的線圈中實(shí)現(xiàn)更高的功率密度

攝影：Genevieve Martin

來源：美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室

ORNL的無線充電系統(tǒng)使用了電磁感應(yīng)形式。ORNL團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種全新的“多相電磁耦合線圈（polyphase electromagnetic coupling coils）”設(shè)計(jì)，并與最新的碳化硅電力電子設(shè)備共同加以優(yōu)化，大幅降低了設(shè)備的體積和重量，實(shí)現(xiàn)了速度和效率方面的重大飛躍。

新系統(tǒng)可以將電網(wǎng)中的能量轉(zhuǎn)化為高頻交流電，由此產(chǎn)生的磁場(chǎng)可通過空氣間隙傳輸電力，在沒有接觸的情況下，將電力傳輸?shù)杰囕v上的次級(jí)磁場(chǎng)，次級(jí)磁場(chǎng)再轉(zhuǎn)化為直流電，儲(chǔ)存到車載電池里。

其關(guān)鍵創(chuàng)新在于發(fā)射器使用三相交流電產(chǎn)生雙極電磁場(chǎng)的能力，從而使線圈配置更加緊湊，效率更高。因此，磁場(chǎng)更加均勻，在給定大小的情況下，可以實(shí)現(xiàn)更加一致和更高的傳輸功率。

高功率低損耗

以往無線充電技術(shù)最大的障礙是效率，充電時(shí)會(huì)以散熱的形式消耗大量能量。雖然電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)比內(nèi)燃機(jī)的效率高得多，但充電效率并不是100%。如果將電動(dòng)汽車從0-100%充電，你可能會(huì)注意分配到充電樁的電量，比電池標(biāo)稱的電量還要多。這些多余的電量通常會(huì)在傳輸過程中轉(zhuǎn)化為熱量消散。

一項(xiàng)Car and Driver測(cè)試顯示，特斯拉Model Y高性能版的81千瓦時(shí)電池，在完全充滿電時(shí)消耗了92.2千瓦時(shí)，損耗約為14%。損耗將根據(jù)電動(dòng)汽車和充電器本身而有所不同。

而ORNL通過新線圈設(shè)計(jì)可能會(huì)解決熱損耗問題。在測(cè)試中，ORNL系統(tǒng)的無線充電系統(tǒng)損耗只有6%左右。

奧納爾說：“我們?yōu)檫@類車輛的無線充電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了世界上最高的功率密度。”研究人員補(bǔ)充說，這種新型線圈設(shè)計(jì)輕巧，能實(shí)現(xiàn)更高密度的能量流動(dòng)。這意味著在更長的距離上損失的能量更少，也可以減少線圈的大小，以實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)線圈技術(shù)相同的充電速率。

他們近期目標(biāo)是將無線充電的功率提高到200千瓦，遠(yuǎn)期目的是達(dá)到350-400千瓦充電功率，充電時(shí)間縮短到15分鐘或更短，并在高速公路上實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)充電。

ORNL已將其創(chuàng)新的電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)授權(quán)給布魯克林的HEVO，標(biāo)志著這一突破性技術(shù)將進(jìn)入商業(yè)化階段。HEVO公司正在開發(fā)世界上最快、最通用的無線充電平臺(tái)，可以提供高達(dá)300千瓦的充電能力。

走向商業(yè)化

除了ORNL以外，美國的其他幾個(gè)無線充電項(xiàng)目要么處于試點(diǎn)階段，要么已經(jīng)部署到早期采用者那里，包括布魯克林、印第安納波利斯和洛杉磯的初創(chuàng)公司，但目前的無線充電系統(tǒng)功率都不夠高。

Plugless Power制造的無線充電器提供3.3千瓦至7.2千瓦的充電功率，可以集成到停車位中。

由麻省理工學(xué)院衍生公司W(wǎng)iTricity制造的無線充電器功率為3.6千瓦至11千瓦。WiTricity在中國和宇通客車、一汽紅旗、智己汽車等多家公司合作推出無線充電服務(wù)，還為商業(yè)車隊(duì)部署了幾個(gè)無線充電站，并通過改裝福特野馬Mach-E展示了其技術(shù)。

無線充電技術(shù)雖然仍處于起步階段，但顯示出很大的潛力，有可能讓充電基礎(chǔ)設(shè)施更精簡、更方便，從而解決電動(dòng)汽車車主和汽車制造商目前面臨的許多問題。幾家領(lǐng)先的汽車制造商已經(jīng)在探索電動(dòng)汽車的無線充電。

2019年，寶馬在530e iPerformance混動(dòng)就搭載了無線充電裝置，充電功率約3.2千瓦。現(xiàn)代汽車集團(tuán)的豪華部門捷尼賽思(Genesis)也在研發(fā)這項(xiàng)技術(shù)。

特斯拉首席設(shè)計(jì)師弗朗茨·馮·霍茲豪森（Franz von Holzhausen）曾表示，該公司在去年年底的Cybertruck審查環(huán)節(jié)中一直在研究這項(xiàng)技術(shù)。去年特斯拉還曾收購了德國無線充電初創(chuàng)公司W(wǎng)iferion，并在幾個(gè)月內(nèi)將其出售。但據(jù)報(bào)道，特斯拉保留了一些相關(guān)的工程師。