@ 2017.06.28 , 11:00

移动电动汽车无线充电攻克重大困难

如果电动汽车能够在高速公路行驶过程中充电,就能无形中打消里程的顾虑,降低花费,或者使得电力成为车辆的标准能源。

近期斯坦福大学科学家攻克了阻碍这种未来的一个重大难关,能够给附近的移动物体无线传输电力。这一成果已发表在6月15日的自然杂志上。

电子工程教授Shanhui Fan说道:“我们的新技术除了能推进车辆和类似手机等个人设备的无线充电,还能解放制造业中移动的机器人。我们仍需要大大增加传递给电动汽车充电的电量,但我们可能不再需要过多考虑距离问题了。”

移动电动汽车无线充电攻克重大困难
credit: 煎蛋画师點叁

2007年,MIT研发了一种向几十厘米外固定物体无线传输电力的方法,该研究小组就在此基础上进行了进一步的工作。在新工作中,研究团队向一个移动LED灯泡无线传输电力。这一演示中只涉及到1毫瓦的充电,而电动汽车通常却要求数十千瓦才能运行。研究团队目前正致力于增大传输的电量,调整系统延展传输距离并提高效率。

行驶里程

无线充电能处理电动汽车的一个重大缺陷——行驶里程有限。特斯拉汽车公司期望其将发售的Model3能一次充电跑200多英里(300多千米),而市面上已有的雪佛兰Chevy Bolt广告称能跑238英里(383千米)。但一般电动汽车电池需要花7个小时才能充满。行驶中充电系统将能克服这些限制。

Fan解释道:“理论上,电动汽车可以不用停下来充电而是一直无限制地跑。但这样的条件是在行驶过程中能进行充电。车辆底部的线圈能从嵌在道路内连接电流的一系列线圈中接收到电力。”

某些交通运输专家设想了一种自动高速路系统,无人驾驶电动汽车能利用太阳能或其他可再生能量源进行无线充电。目标将是减少事故并大大提升交通流量,同时降低温室气体排放。

无线技术也能辅助无人驾驶汽车的GPS导航。GPS准确度能达到35英尺(约10米)。为了安全,自动汽车需要保持在车道中央,如果将传输线圈嵌入在中心线,那么就能为GPS卫星提供非常准确的定位。

磁共振

斯坦福大学和其他研究大学研究的中程无线电力传输是基于磁共振耦合。正如大型发电厂通过旋转磁体之间的线圈产生交流电,流经导线的电力也会产生振荡磁场。这种场会导致附近线圈中的电子振荡,因而实现无线电力传输。通过将两种线圈调整为相同的磁共振频率,并以正确的角度放置,就能进一步提高传输效率。

然而,当物体移动时,只有手动调整电路的某些方面,比如频率,电流才能保持持续性。所以,要么能量传输线圈和接收线圈保持几乎静止,要么设备就自动不断进行调整——这是一个非常复杂的过程。

为了解决这个挑战,斯坦福研究团队除去了传输电路中的射频源,将其替代为商用电压放大器和反馈电阻器。这一系统会自动计算出不同距离下的正确频率,不需要人工干预。

研究第一作者、研究生Sid Assawaworrarit说道:“增加放大器使得电力能非常有效地跨越1米的距离,无视接收线圈的朝向变化。这消除了电路任何方面的自动和连续调整需求。”

Assawaworrarit将一个LED灯放置在接收线圈中来测试该方法。在没有主动调整的传统设置中,LED的亮度将随距离增大而减弱。而在新的设置中,在接受器移动1米的过程中,亮度保持不变。Fan的团队最近为该进展申请了专利。

研究团队使用了一个相对低效仅有10%的现成通用放大器。他们称定制放大器能将效率提升至90%多。

Fan说道:“我们能重新思考如何传递电力,不仅给我们的汽车,还给我们身体上或者身体内的小型设备。对任何可能从动态无线充电中受益的事物,这都是具有潜在重要性的。”

论文原文:doi:10.1038/nature22404

本文译自 phys,由译者 CliffBao 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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