漫談電動車動態(tài)無線充電技術(shù)

　　“無線充電”這個詞大家一定不陌生，很早就在手機(jī)領(lǐng)域大顯身手了。記得第一次見無線充電的手機(jī)是在2010年，一款惠普的手機(jī)，當(dāng)時(shí)小編看到這樣的功能簡直是驚呆了。時(shí)間過去了8年，馬路上的汽車有很多都變成了電動的，無線充電技術(shù)也隨之出現(xiàn)在汽車上。然而，靜態(tài)無線充電對于汽車來說與有線充電同樣存在著充電頻繁、續(xù)航里程短、電池用量大且成本高昂等問題。特別是對于電動巴士一類的公交車輛，其連續(xù)續(xù)航能力格外重要。在這樣的背景下，電動汽車動態(tài)無線充電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，通過非接觸的方式為行駛中的電動汽車實(shí)時(shí)地提供能量供給。

　　一、無線充電是怎么回事？

　　先要了解動態(tài)無線充電是怎么回事，還是從普通的無線充電說起。我們知道無線充電靠的是電流和磁場的電磁感應(yīng)。沒錯，就是初中物理學(xué)的那個電磁感應(yīng)。

　　1819年，丹麥科學(xué)家奧斯特觀察到一段導(dǎo)線上如果通有電流，四周就會產(chǎn)生磁場。后來人們發(fā)現(xiàn)，將導(dǎo)線圍成環(huán)狀，甚至繞成線圈，產(chǎn)生的磁場將會更強(qiáng)、更集中，這稱為電流磁效應(yīng)。

　　1831年法拉第發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)生感應(yīng)電流，這稱為電磁感應(yīng)。

　　那么如何讓電和磁發(fā)生作用，穩(wěn)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，那么這個線圈周圍就有了磁場；接著我們將另一個線圈靠過去，那么這個線圈就有了電流。電流引導(dǎo)到電池內(nèi)，就可以完成無線充電了。運(yùn)用到汽車領(lǐng)域，這就是電磁感應(yīng)式無線充電。我們給位于地面的線圈通上交流電，隨著電流大小和方向的改變，線圈周圍的磁場強(qiáng)弱和方向也不斷改變，形成一個交互磁場。這時(shí)車輛底盤的線圈就處在一個不斷變化的磁場中，線圈內(nèi)部會產(chǎn)生一個交互電流，通過一系列電路整流后，實(shí)現(xiàn)給電池充電。

　　二、無線充電與汽車

　　電磁感應(yīng)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(shù)。在停車位上會有個長得像是墊子一樣的東西，其實(shí)它是一個初級線圈，用來產(chǎn)生磁場。可用于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(chǎn)生電流。不過電磁感應(yīng)式無線充電有一個很大的弊端，那就是距離。這種技術(shù)想要產(chǎn)生電流，兩個線圈必須“嚴(yán)絲合縫”地相對，一旦發(fā)生偏差，電流就不會產(chǎn)生。所以這樣的技術(shù)往往需要搭配精準(zhǔn)的自動泊車技術(shù)，要讓車輛正好停在無線充電的墊子上方。但是這樣非常不方便，于是科學(xué)家們就研究另一種無線充電技術(shù)，那就是磁場共振無線充電。我們知道當(dāng)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(chǎn)生一個以固定頻率振動的磁場即諧振磁場，然后讓次級線圈磁場的振動頻率與之相同，產(chǎn)生共振，最終實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移。2007年，麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)通過一個電磁共振器成功點(diǎn)亮了一個2m開外的60W燈泡。

　　豐田在2012年就做過實(shí)驗(yàn)，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(dāng)它們都按照相同的頻率振動時(shí)，次級線圈就能將諧振磁場的電流轉(zhuǎn)換過來。這個無線供電系統(tǒng)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(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，地面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范圍是一條輪胎的寬度(20cm左右)。采用磁共振效應(yīng)實(shí)現(xiàn)地面充電墊與電動車充電板之間的能量傳輸，這套充電系統(tǒng)功率可達(dá)20kW，充滿85kWh的特斯拉MODEL S P85的電池組大約需要5h。

　　三、動態(tài)無線充電

　　如果將充電墊或者說是諧振磁場放到道路里，那么車輛就可以實(shí)現(xiàn)邊跑邊充電了，從此告別充電樁。在去年5月份的時(shí)候，高通在巴黎使用一臺雷諾全電動的Kangoo廂式貨車完成了動態(tài)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(shí)完成了充電。測試中，Kango測試車的時(shí)速達(dá)到100km/h，最大充電功率能達(dá)到20kW。高通建設(shè)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(fù)責(zé)25m道路的電量供應(yīng)。同時(shí)，每25m長的能量段擁有與14個子模塊，內(nèi)含線圈和能量轉(zhuǎn)換電路。至于成本問題，雷諾、法國電力公司和法國北部高速公路公司的一項(xiàng)研究指出，建設(shè)動態(tài)充電道路的成本為400萬歐元/km(雙車道)，價(jià)格可以說是相當(dāng)昂貴了。如此“金貴”的道路看來只能先在公交道上普及了。

　　寫在最后

　　無線動態(tài)充電目前還處在研究狀態(tài)中，離大面積普及還有很長的一段距離。另外還有道路的監(jiān)測和養(yǎng)護(hù)。不過科技總是在不斷發(fā)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。