撰文 / 錢亞光

編輯 / 涂彥平

設(shè)計 / 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，你只要把電動汽車停在車庫或停車場的特定車位上，不用插拔煩人的充電線，不用下載充電應(yīng)用程序，車輛就會通過無線充電設(shè)備自己把電充好。

無線充電，有可能會發(fā)展成為一個單獨的巨大的市場。根據(jù)加拿大調(diào)研公司Nova One Advisor的報告，2022 年全球電動汽車無線充電市場規(guī)模約為3406萬美元，到2032年預(yù)計將達到212億美元，年復(fù)合增長率高達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驗室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）的科學(xué)家們使用帶有旋轉(zhuǎn)磁場的“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100千瓦功率向電動汽車進行無線充電

攝影：Genevieve Martin

來源：美國能源部橡樹嶺國家實驗室

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）的空間間隙向電動汽車充電，功率為100千瓦，充電效率高達96%，與目前一些高速公路上的有線充電樁相當。

“我們已經(jīng)為這類車輛的無線充電系統(tǒng)實現(xiàn)了世界上最高的功率密度?！眳⑴c這項工作的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%?！?/p>

作為參考，美國最快的電動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所安裝具有挑戰(zhàn)性。然而，ORNL的新型無線電動汽車充電系統(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

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

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

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

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。這會在接收天線中產(chǎn)生電流。然后，每個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的輕量級多相電磁耦合線圈設(shè)計，允許在較小的線圈中實現(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驗室

ORNL的無線充電系統(tǒng)使用了電磁感應(yīng)形式。ORNL團隊設(shè)計出一種全新的“多相電磁耦合線圈（polyphase electromagnetic coupling coils）”設(shè)計，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上的次級磁場，次級磁場再轉(zhuǎn)化為直流電，儲存到車載電池里。

其關(guān)鍵創(chuàng)新在于發(fā)射器使用三相交流電產(chǎn)生雙極電磁場的能力，從而使線圈配置更加緊湊，效率更高。因此，磁場更加均勻，在給定大小的情況下，可以實現(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，充電時會以散熱的形式消耗大量能量。雖然電動汽車的動力系統(tǒng)比內(nèi)燃機的效率高得多，但充電效率并不是100%。如果將電動汽車從0-100%充電，你可能會注意分配到充電樁的電量，比電池標稱的電量還要多。這些多余的電量通常會在傳輸過程中轉(zhuǎn)化為熱量消散。

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

而ORNL通過新線圈設(shè)計可能會解決熱損耗問題。在測試中，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)實現(xiàn)了世界上最高的功率密度。”研究人員補充說，這種新型線圈設(shè)計輕巧，能實現(xiàn)更高密度的能量流動。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，以實現(xiàn)與傳統(tǒng)線圈技術(shù)相同的充電速率。

他們近期目標是將無線充電的功率提高到200千瓦，遠期目的是達到350-400千瓦充電功率，充電時間縮短到15分鐘或更短，并在高速公路上實現(xiàn)電動汽車動態(tài)充電。

ORNL已將其創(chuàng)新的電動汽車無線充電技術(shù)授權(quán)給布魯克林的HEVO，標志著這一突破性技術(shù)將進入商業(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，可以提供高達300千瓦的充電能力。

走向商業(yè)化

除了ORNL以外，美國的其他幾個無線充電項目要么處于試點階段，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)車隊部署了幾個無線充電站，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)在探索電動汽車的無線充電。

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

特斯拉首席設(shè)計師弗朗茨·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，并在幾個月內(nèi)將其出售。但據(jù)報道，特斯拉保留了一些相關(guān)的工程師。

沃爾沃在無線充電方面也取得了重大進展，為瑞典哥德堡的一支全電動沃爾沃XC40車隊提供了約40千瓦的充電電源。

克萊斯勒Halcyon概念車也具備無線充電功能，福特申請了“道路無線充電線圈”專利。

中國在2020年率先發(fā)布了電動汽車無線充電四項標準，中興新能源、比亞迪、中科院電工所、華南理工大學(xué)等公司和機構(gòu)，也在進行電動汽車無線充電系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用。

目前中國電動汽車無線充電技術(shù)穩(wěn)定狀態(tài)下充電效率可維持在88%至92%之間，充電功率也從3千瓦向11千瓦乃至更高功率發(fā)展。

無線電動汽車充電，在速度和效率方面，已經(jīng)具備與當前直流快速充電樁相媲美的潛力，可能會在未來幾年徹底改變?yōu)槠嚬╇姷姆绞健?/p>

那么這種解決方案的成本是多少？能不能普及？這些重要的問題現(xiàn)在還沒有明確的答案，但從目前的發(fā)展來看，可以肯定的是，高效、商業(yè)化的電動汽車無線充電已經(jīng)不再是不切實際的提議。