充電與行駛:電動汽車製造商計劃擺脫電線束縛

正在進行的研發可能讓駕駛員利用磁場為電池充電


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插電式電動汽車,如雪佛蘭Volt和日產Leaf,才剛剛開始滲透美國消費市場,但汽車製造商已經在考慮下一項技術進步:一種可以隨時隨地(幾乎)自我充電的汽車。

消費者很樂意為手機和遊戲控制器充電,但是許多人尚未適應在通勤結束後為汽車充電的想法。

固定式無線充電
位於馬薩諸塞州沃特敦的WiTricity公司的業務發展和營銷總監大衛·沙茨說:“幾乎所有的汽車製造商都認識到,消費者覺得為汽車充電不方便,汽車製造商已經得出結論,他們需要提供某種無線、擴音充電方式。”該公司為手機和汽車製造無線充電器。有了WiTricity的系統,使用者不必將汽車直接停放在充電墊上,更不用說處理電線了。只要汽車在充電站的範圍內,能量就開始流入電池。

該過程依賴於一種稱為磁共振耦合的原理(pdf)。充電裝置由纏繞的導線和兩端的電容板組成,利用電力產生特定頻率的共振磁場。就像歌劇演員可以透過唱出正確的音符來震碎酒杯一樣,發射線圈僅將能量傳輸到以相同頻率共振的接收線圈。人們認為磁共振耦合比其他無線充電方法更安全,因為可以增加磁場的強度,而不會影響附近的其它非共振物體。

這項四年前在麻省理工學院發明的技術,可能很快就會出現在汽車中。WiTricity去年與主要的汽車零部件供應商德爾福電子公司合作開發了一輛演示車,三菱汽車最近同意與WiTricity合作進行基礎設施研究。

動態無線充電
其他研究人員正在將無線充電推向下一步:設計能夠在行駛過程中充電的汽車。動態充電將有助於消除駕駛員可能存在的因電池沒電而滯留在路上的擔憂,通常被稱為“里程焦慮”。

中國密歇根大學上海交通大學聯合學院的一個團隊正在測試一種原型電動汽車(EV),該汽車將使用類似的諧振耦合系統進行充電。然而,研究人員建議,充電器應該安裝在道路本身中,而不是在車庫內設定加油站,這樣汽車就可以在行駛過程中充電。在這種情況下,由於電力將是無處不在的,汽車可以取消笨重的電池,轉而使用超級電容器來儲存能量。

超級電容器可能是快速、頻繁充電的理想儲存裝置,而不是當今許多插電式汽車使用的緩慢、長達數小時的充電過程。該研究所的工程師程斌馬認為,這種設定對於電動巴士車隊來說是完美的,因為它們有保證的停靠點,可以在這些地方長時間輸送能量。

馬和他的同事們已經制造了一個咖啡罐大小的原型車,他說:“它可以真正移動並自動停止進行無線充電。”接下來的步驟是完成一輛卡丁車大小的單座電動汽車原型,提高系統的功率,並完善該車的行駛中充電功能。

“超級”電容器?
另一方面,超級電容器仍然存在一些技術問題需要解決。位於密歇根州安娜堡的非營利機構汽車研究中心(研究汽車行業)的製造、工程和技術聯合主管佈雷特·史密斯說:“我認為人們對它們沒有抱有巨大的期望。”“我認為它們可能比電池成本更低[,但是它們不夠堅固。它們還沒有達到該行業需要它們達到的要求。”史密斯說,無論這項新技術取得了多大的進展,它還需要十年才能出現在大眾市場的汽車中。

至於在路基中安裝充電器,史密斯說,這項技術“很吸引人,而且非常昂貴”。在城市裡,基礎設施可能會更快地建立起來,因為“在交通和汙染管理方面有巨大的需求”,或者至少比在郊區和農村地區的需求更大。儘管如此,“人們還在抱怨[僅僅]安裝一個充電站的基礎設施成本,”他說。更大的基礎設施改進將更難推銷。

其他挑戰
除了成本之外,馬和WiTricity技術的主要缺點是距離。汽車的接收線圈仍然需要相當靠近充電器的發射線圈。WiTricity的沙茨說,最佳距離約為12到18釐米。馬的系統也有類似的限制:在距離充電站約50釐米處,功率傳輸幾乎降至零。支持者認為,為了不必使用物理插頭的優勢,效率上的犧牲是值得的。沙茨補充說:“與插入汽車相比,這是一個很小的損失,但在人體工程學或易用性方面卻有巨大的收穫。”

儘管無線充電對汽車製造商和駕駛員都提出了挑戰,但這一概念正在獲得發展勢頭。奧迪在9月份的法蘭克福車展上推出了一款無線充電概念車,這款車一半是賽車,一半是轎跑車,簡稱為奧迪城市概念車豐田最近宣佈與WiTricity達成協議,合作開發其共振無線充電技術。同樣,寶馬和西門子正在合作開發感應充電站,供出租車最終使用。如果這種發展繼續以這樣的速度進行,那麼未來擁有無線電動汽車的日子可能不會太遙遠。

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