充电与行驶:电动汽车制造商计划摆脱电线束缚

正在进行的研发可能让驾驶员利用磁场为电池充电


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插电式电动汽车,如雪佛兰Volt和日产Leaf,才刚刚开始渗透美国消费市场,但汽车制造商已经在考虑下一项技术进步:一种可以随时随地(几乎)自我充电的汽车。

消费者很乐意为手机和游戏控制器充电,但是许多人尚未适应在通勤结束后为汽车充电的想法。

固定式无线充电
位于马萨诸塞州沃特敦的WiTricity公司的业务发展和营销总监大卫·沙茨说:“几乎所有的汽车制造商都认识到,消费者觉得为汽车充电不方便,汽车制造商已经得出结论,他们需要提供某种无线、免提充电方式。”该公司为手机和汽车制造无线充电器。有了WiTricity的系统,用户不必将汽车直接停放在充电垫上,更不用说处理电线了。只要汽车在充电站的范围内,能量就开始流入电池。

该过程依赖于一种称为磁共振耦合的原理(pdf)。充电装置由缠绕的导线和两端的电容板组成,利用电力产生特定频率的共振磁场。就像歌剧演员可以通过唱出正确的音符来震碎酒杯一样,发射线圈仅将能量传输到以相同频率共振的接收线圈。人们认为磁共振耦合比其他无线充电方法更安全,因为可以增加磁场的强度,而不会影响附近的其它非共振物体。

这项四年前在麻省理工学院发明的技术,可能很快就会出现在汽车中。WiTricity去年与主要的汽车零部件供应商德尔福电子公司合作开发了一辆演示车,三菱汽车最近同意与WiTricity合作进行基础设施研究。

动态无线充电
其他研究人员正在将无线充电推向下一步:设计能够在行驶过程中充电的汽车。动态充电将有助于消除驾驶员可能存在的因电池没电而滞留在路上的担忧,通常被称为“里程焦虑”。

中国密歇根大学上海交通大学联合学院的一个团队正在测试一种原型电动汽车(EV),该汽车将使用类似的谐振耦合系统进行充电。然而,研究人员建议,充电器应该安装在道路本身中,而不是在车库内设置加油站,这样汽车就可以在行驶过程中充电。在这种情况下,由于电力将是无处不在的,汽车可以取消笨重的电池,转而使用超级电容器来储存能量。

超级电容器可能是快速、频繁充电的理想存储设备,而不是当今许多插电式汽车使用的缓慢、长达数小时的充电过程。该研究所的工程师程斌马认为,这种设置对于电动巴士车队来说是完美的,因为它们有保证的停靠点,可以在这些地方长时间输送能量。

马和他的同事们已经制造了一个咖啡罐大小的原型车,他说:“它可以真正移动并自动停止进行无线充电。”接下来的步骤是完成一辆卡丁车大小的单座电动汽车原型,提高系统的功率,并完善该车的行驶中充电功能。

“超级”电容器?
另一方面,超级电容器仍然存在一些技术问题需要解决。位于密歇根州安娜堡的非营利机构汽车研究中心(研究汽车行业)的制造、工程和技术联合主管布雷特·史密斯说:“我认为人们对它们没有抱有巨大的期望。”“我认为它们可能比电池成本更低[,但是它们不够坚固。它们还没有达到该行业需要它们达到的要求。”史密斯说,无论这项新技术取得了多大的进展,它还需要十年才能出现在大众市场的汽车中。

至于在路基中安装充电器,史密斯说,这项技术“很吸引人,而且非常昂贵”。在城市里,基础设施可能会更快地建立起来,因为“在交通和污染管理方面有巨大的需求”,或者至少比在郊区和农村地区的需求更大。尽管如此,“人们还在抱怨[仅仅]安装一个充电站的基础设施成本,”他说。更大的基础设施改进将更难推销。

其他挑战
除了成本之外,马和WiTricity技术的主要缺点是距离。汽车的接收线圈仍然需要相当靠近充电器的发射线圈。WiTricity的沙茨说,最佳距离约为12到18厘米。马的系统也有类似的限制:在距离充电站约50厘米处,功率传输几乎降至零。支持者认为,为了不必使用物理插头的优势,效率上的牺牲是值得的。沙茨补充说:“与插入汽车相比,这是一个很小的损失,但在人体工程学或易用性方面却有巨大的收获。”

尽管无线充电对汽车制造商和驾驶员都提出了挑战,但这一概念正在获得发展势头。奥迪在9月份的法兰克福车展上推出了一款无线充电概念车,这款车一半是赛车,一半是轿跑车,简称为奥迪城市概念车丰田最近宣布与WiTricity达成协议,合作开发其共振无线充电技术。同样,宝马和西门子正在合作开发感应充电站,供出租车最终使用。如果这种发展继续以这样的速度进行,那么未来拥有无线电动汽车的日子可能不会太遥远。

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