电动汽车无线充电有望克服续航里程有限的问题

Wireless charging for electric vehicles could remove the driving range barrier.
Wireless charging for electric vehicles would address a major drawback of plug-in electric cars—their limited driving range.Image: REUTERS/Denis Balibouse
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科学家找到了一种向附近移动物体无线传输电力的方法。

这种方法或可应用于交通运输、医疗设备等领域。例如,如果电动汽车能在高速公路上行驶时充电,无线充电几乎可以消除人们对续航里程的顾虑并降低车辆成本,或许还能让电力成为车辆的标准能源。

电动汽车无线充电

斯坦福大学电气工程教授、该研究的资深作者范善辉(Shanhui Fan)说:“除了推动汽车和手机等个人设备的无线充电,我们的新技术还可能让制造业中的机器人摆脱束缚,而机器人本身也在不断移动。”

理论上,人们可以一直驾驶,无需停车充电……

他说:“我们仍需大幅提高为电动汽车充电时传输的电量,但或许不必再显著增加传输距离。”

研究团队在2007年麻省理工学院(MIT)开发的一项现有技术基础上开展研究。该技术可在数英尺距离内向静止物体无线传输电力。在这项新研究中,团队向一只移动中的LED灯泡无线传输电力。该演示仅涉及1毫瓦的电量,而电动汽车运行通常需要数十千瓦。

团队目前正致力于大幅增加可传输的电量,并调整系统以延长传输距离、提高效率。

传得更远

电动汽车无线充电可以解决插电式电动汽车的一大缺点——续航里程有限。特斯拉汽车公司预计,即将推出的Model 3单次充电可行驶超过200英里;已经上市的雪佛兰Bolt标称续航里程为238英里。但电动汽车电池通常需要数小时才能充满。边行驶边充电的系统将克服这些限制。

范解释说:“理论上,人们可以一直驾驶,无需停车充电。我们希望电动汽车能在高速公路上行驶时充电。车辆底部的线圈可以接收电力,这些电力来自一系列连接到嵌入路面电流线路的线圈。”

一些交通运输领域的专家设想,建设自动化高速公路系统,让无人驾驶电动汽车通过太阳能或其他可再生能源无线充电。其目标是减少事故、大幅改善交通流量,同时降低温室气体排放。

电动汽车无线充电技术还可以辅助无人驾驶汽车的GPS导航。GPS的定位精度约为35英尺。出于安全考虑,自动驾驶汽车需要行驶在车道中央,而发射线圈将嵌入车道中央,为GPS卫星提供非常精确的定位信息。

磁力驱动

中距离无线电力传输基于磁共振耦合原理。大型发电厂通过在磁体之间旋转线圈来产生交流电;同样,电流在线路中流动时会产生振荡磁场。

这个磁场还会使附近线圈中的电子振荡,从而实现无线电力传输。如果两个线圈都调谐至相同的磁共振频率,并处于正确角度,传输效率还会进一步提高。

然而,只有在物体移动时手动调节电路的某些参数(例如频率),才能维持电力持续传输。因此,能量发射线圈和接收线圈必须基本保持静止,或者设备必须自动、持续地调谐——这是一个复杂得多的过程。

为解决电动汽车无线充电面临的这一挑战,研究团队去掉了发射器中的射频源,改用市售电压放大器和反馈电阻。该系统无需人工干预,就能自动确定适用于不同距离的正确频率。

电动汽车无线充电有望在电动汽车行业大显身手。Image: 彭博社

该研究的第一作者、研究生西德·阿萨瓦沃拉里特(Sid Assawaworrarit)说:“加入放大器后,即使接收线圈的朝向不断变化,在大部分三英尺传输范围内,电力也能高效传输。这就无需自动、持续地调节电路的任何参数。”

精细调校电动汽车无线充电机制

阿萨瓦沃拉里特通过将LED灯泡放在线圈上,测试了这种电动汽车无线充电方法。在没有主动调谐的传统装置中,LED亮度会随着距离增加而减弱。

在新装置中,接收器离开发射源约三英尺后,亮度仍保持不变。范的团队最近已为这项最新进展提交专利申请。

团队使用了一款现成的通用放大器,其效率相对较低,约为10%。他们表示,定制放大器可以将效率提高到90%以上。

范说:“我们可以重新思考如何向汽车以及人体上或体内的小型设备输送电力。对于任何能从动态无线充电中受益的事物,这项技术都可能非常重要。”

斯坦福大学汤姆卡特可持续能源中心为部分研究提供了支持。

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