無線充電新方案：讓電動汽車未來實現行駛中充電！

導讀

近日，美國科羅拉多大學波爾得分校的工程師們開發出一種讓電動汽車未來實現行駛中無線充電的新方案。

背景

作為新能源汽車的代表，電動汽車最大的優勢就是節能環保。可是，充電問題和續航里程，一直是大眾關注的焦點，也是市場的關鍵痛點。目前，電動汽車主流的充電方式有：攜帶型充電線充電、家用充電樁充電、快速充電樁充電、慢速充電樁充電、超級電站充電等，而這些都屬於需要插入充電線的有線充電方式。

如今，無線充電技術方興未艾，已覆蓋智能手機、消費電子、智能家居、智能穿戴、醫療設備、交通運輸等諸多領域。電動汽車的無線充電也越來越受到重視，特斯拉、VOLVO、奧迪和寶馬等車企都已開始研發或測試電動汽車的無線充電系統。電動汽車的無線充電技術優勢明顯、潛力巨大，例如：佔地面積小、充電便利性高、無需人工值守、維護成本低等。

如今，主流的電動汽車無線充電技術都是停車時充電。然而，去年高通（Qualcomm）發布的一項具有革命性意義的「動態」無線充電技術，讓汽車可以在路上邊跑邊充電。Qualcomm 已經在巴黎使用一台雷諾旗下的全電動Kangoo廂式貨車完成了一段100米長的動態無線充電道路測試。

（圖片來源：高通）

創新

然而，今天筆者要介紹的技術與高通的動態無線充電技術有「異曲同工之妙」。近日，美國科羅拉多大學波爾得分校（University of Colorado
Boulder ）的工程師們開發出一種讓電動汽車未來實現行駛中無線充電的新方案。

（圖片來源：科羅拉多大學波爾得分校）

這項研究由科羅拉多大學波爾得分校電氣工程系計算機和能源工程專業的助理教授 Khurram Afridi 主導。過去兩年，Afridi 以其同事開發出一個處於概念驗證階段的無線電力傳輸裝置，在非常高的頻率下，通過電場傳輸電能。

技術

目前，大多數電動汽車一次充電，能夠行駛的距離在100英里到250英里之間，具體的行駛距離取決於汽車的型號和款式。但是，大多數國家的充電站較少且相隔遙遠，因此駕駛員需要事先規劃好行程。Afridi 表示，這項技術可以解決這個問題。

Afridi
說：「在高速公路上，你將擁有一條用於充電的車道。」 增加這條充電車道之後，當需要提升能量時，汽車可便捷地行駛到車道中充電。因此，汽車攜帶的電池可以變得更小，從而降低了車輛的總體成本。如今，一些小型消費電子產品已具備無線充電功能，當物體位於插入插座的特製充電板上時，可從充電板中吸收電能。

然而，要將這種功能複製到正在行駛的汽車上，困難要大得多。從公路到汽車的物理距離更遠，需要的能量將多得多。高速公路上行駛的汽車，在任何一塊充電板上，逗留不會超過一秒鐘，因此每隔幾米就要安放一個充電板，保證持續充電。此外，為一部智能手機充電僅需5瓦的功率，而筆記本電腦則需100瓦。但是，行駛中的電動汽車將需要幾萬瓦的功率，比筆記本電腦高兩個數量級。

迄今為止，大多數的無線充電技術研究都是通過磁場傳輸能量，也稱為「感應法」。強度水平適合大量能量傳輸的磁場，比等效的電場更容易生成。磁場以類似圓圈型的圖案往外傳輸，因此需要使用脆弱且有損耗的磁性材料，保持場和能的定向，結果會帶來一個昂貴的系統。相比而言，電場本身就是以較直的線傳輸。在他的創新研究中，Afridi 想要利用電場定向更好的天性，並相應地降低成本。

採用電場進行無線電力傳輸（電容方案）的挑戰在於：高速公路與電動汽車之間的大空隙，會使得能量傳輸所通過的電容變得非常小。

Afridi 表示：「大家都認為，通過如此小的電容無法傳遞那麼多的能量。但是我們認為，要是我們增加電場頻率，結果又會怎樣呢？」

在他的實驗中，Afridi 和他的學生們安裝了相互平行的金屬板，之間相隔12厘米。底部的兩個板代表了高速公路中的發射板，而頂部的兩個板代表了汽車內的接收板。Afridi 撥一下開關，能量便從底部發射出來，頂層板上的燈泡即刻亮了起來（電力的傳輸是無線的）。設備已經穩步提升至這樣的效果：在兆赫的頻率下，傳輸功率達幾千瓦。

（圖片來源：科羅拉多大學波爾得分校）

Afridi 表示：「當我們傳輸能量跨越12厘米，突破了千瓦的藩籬時，我們感到很興奮，那一天我們拍手相慶。」

價值

未來，通過這種低成本充電板，可以跨越很遠的物理距離，向正在移動的平台發送大量電能。這種能力將使得這項技術可以拓展應用於小型消費電子產品例如手機，並能為汽車等體積更大的物體充電。

通過將行駛中的無線充電技術應用於電動汽車領域，有望打破傳統充電樁的限制，讓充電變得更便捷，節省時間和資源，最終將有利於電動汽車進一步的推廣和普及。

未來

Afridi 計劃繼續開發這一原型，並且拓展它用於潛在的真實世界應用。他已經得到了美國能源部 ARPA-E 部門和美國國家科學基金會 CAREER 獎金的資助。近期，來自美國科羅拉多州科羅拉多能源研究合作實驗室的種子基金的支持，讓Afridi 能與科羅拉多州立大學和美國國家能源部可再生能源實驗室（NREL）展開合作，使他可以探索可行性並優化這個行駛中的無線系統。

在短期內，Afridi 希望這一技術將應用於倉庫。例如，自動化倉庫機器人和叉車，將可以在具有無線充電的區域移動，不再需要插入式充電，從而減少了停工期並提高了產量。這項技術也可用於新一代交通運輸項目，例如Hyperloop 項目，它將使得從洛杉磯到舊金山的時間縮短至30分鐘。

（圖片來源：科羅拉多大學波爾得分校）

這種行駛中的無線充電技術，最大的難度在於道路建設和系統部署，將需要為電動汽車留出一條專用充電車道，並配備相應的無線充電設施。因此，除了技術問題，經濟相關的問題也不容忽視。

關鍵字

無線充電、電動汽車、新能源

參考資料

【1】https://www.colorado.edu/today/2018/03/27/future-electric-cars-could-recharge-wirelessly-while-you-drive

【2】https://www.qualcomm.com/news/onq/2017/05/18/wireless-dynamic-ev-charging-evolution-qualcomm-halo

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