充电对于电动汽车来说像是Bug一样的存在,如果有一天,电动汽车摆脱充电桩的束缚,不用到处找充电桩,充电比加油还方便那该有多好。

看到这里大家应该都明白今天要讨论的主题了,无线充电。不过不同于停在车位里的无线充电,我们今天要讨论的是边开车边充电的技术。当然了它还有一个非常学术的名称,叫做电动汽车动态充电(DEVC)技术。

想象一下,电动汽车不用刻意充电,每天开在路上就能充电,带来的好处多多。首先可以给电池“减负”,因为可以随时随地给车充电,所以大容量的电池不那么必要了,车辆的载重也随之下降。

其次充电再也无需等待,现在电动汽车充电始终无法做到像汽油车加油一样方便,而无线充电可以边开边充,减少时间成本。最后解决了续航里程问题,电动汽车的续航里程被无线拉长,里程焦虑问题不存在了。

听起来挺天方夜谭的?其实从理论上来说,它实现起来并不难,我们先来了解一下它的原理。

一、无线充电是怎么回事?

还是从无线充电说起。我们知道无线充电靠的是电流和磁场,电和磁这对相爱相杀的CP,经常在一起搞事情。

1819年,丹麦科学家奥斯特观察到一段导线上如果通有电流,四周就会产生磁场。后来人们发现,将导线围成环状,甚至绕成线圈,产生的磁场将会更强、更集中,这称为电流磁效应。

1831年法拉第发现,如果让一块磁铁或其他的磁场来源靠近一段没有电流的线圈,线圈上就会产生感应电流,这称为电磁感应。

那么如何让电和磁发生作用,稳定地给我们输出电流呢?

我们需要两个线圈,把一个线圈通上电,那么这个线圈周围就有了磁场;接着我们将另一个线圈靠过去,那么这个线圈就有了电流。电流引导到电池内,就可以完成无线充电了。

运用到汽车领域,这就是电磁感应式无线充电。

我们给位于地面的线圈通上交流电,随着电流大小和方向的改变,线圈周围的磁场强弱和方向也不断改变,形成一个交互磁场。这时车辆底盘的线圈就处在一个不断变化的磁场中,线圈内部会产生一个交互电流,通过一系列电路整流后,实现给电池充电。

二、被逼出强迫症的无线充电

电磁感应式无线充电是各大汽车公司在研究无线充电初期比较喜欢采用的技术。

奔驰、奥迪、沃尔沃等汽车公司都曾经研究出一批电磁感应无线充电的车型。

在停车位上会有个长得像是垫子一样的东西,其实它是一个初级线圈,用来产生磁场。可用于无线充电的车辆底盘也会有一个线圈,我们称之为次级线圈,用来产生电流。

不过电磁感应式无线充电有一个很大的弊端,那就是距离。这种技术想要产生电流,两个线圈必须“严丝合缝”地相对,一旦发生偏差,电流就不会产生。

所以这样的技术往往需要搭配精准的自动泊车技术,要让车辆正好停在无线充电的垫子上方。

听起来就觉得很麻烦是不是?这是要让人人都练成处女座加强迫症的节奏。

于是,科学家们就研究另一种无线充电技术,那就是磁场共振无线充电。我们知道当两个物体采用相同的振动频率,或者说在一个特定的频率上共振,它们就可以交换彼此的能量。

磁场共振,就是初级线圈产生一个以固定频率振动的磁场即谐振磁场,然后让次级线圈磁场的振动频率与之相同,产生共振,最终实现能量转移。

2007年,麻省理工学院的研究团队通过一个电磁共振器成功点亮了一个2m开外的60W灯泡。

在汽车领域,丰田在2012年就做过实验,在一辆插电式混合动力的普锐斯上,增加了一个可按照一定频率振动的次级线圈。停车位上有一个谐振磁场,当它们都按照相同的频率振动时,次级线圈就能将谐振磁场的电流转换过来。

这个无线供电系统的输出功率为2kW。使用频带是在国际上取得共识的85kHz,电力传输效率约为80%。

在这个验证实验中,地面的谐振磁场与车辆底部的次级线圈的距离约为15cm左右。水平错位的最大允许范围是一条轮胎的宽度(20cm左右)。

高通也曾经推出过无线充电系统,名为Halo,不过也停留在静态无线充电。

采用磁共振效应实现地面充电垫与电动车充电板之间的能量传输,这套充电系统功率可达20kW,充满85kWh的特斯拉MODEL S P85的电池组大约需要5h。

三、让电动汽车动起来

如果将充电垫或者说是谐振磁场放到道路里,那么车辆就可以实现边跑边充电了,从此告别充电桩。

在今年5月份的时候,高通在巴黎使用一台雷诺全电动的Kangoo厢式货车完成了动态无线充电道路测试。

两辆电动汽车按照不同速度,行驶在这条100m长的道路上,同时完成了充电。测试中,Kango测试车的时速达到100km/h,最大充电功率能达到20kW。

高通建设的这条长100m的道路测试包含4块能量供给单元,每个单元负责25m道路的电量供应。同时,每25m长的能量段拥有与14个子模块,内含线圈和能量转换电路。

至于成本问题,雷诺、法国电力公司和法国北部高速公路公司的一项研究指出,建设动态充电道路的成本为400万欧元/km(双车道),价格可以说是相当昂贵了。

如此“金贵”的道路看来只能先在公交道上普及了。在韩国,韩国科学技术院(KAIST)就在南部龟尾市的火车站建设了一条12km长的动态充电道路,跑在上面的电动公交车就是利用磁场共振实现无线充电。

说完了国外,我们国家在无线动态充电上的研究也不落人后。比较知名的有中兴通讯,目前已经在重庆、湖北等地展开无线充电示范线的测试。

无线动态充电目前还处在研究状态中,离大面积普及还有很长的一段距离。随便一想就有一大堆问题还没有解决,比如车辆的兼容性能否一致,道路是开放的还是封闭的,公路的电流能否负荷多辆车进行充电?另外还有道路的监测和养护。

这些都是无线动态充电的拦路虎,不过科技总是在不断发展的,相信科技的力量,充电的难题总会解决。电动汽车边开边充电绝对不是痴人说梦。

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