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时间:2019-05-19 14:33来源:豪彩国际(www.tdshhs.com)点击:

  姚昌晟▯▯,清华大学汽车工程系本科与在读博士,目前在清华动力系统课题组进行混合动力系统方面的研究。

  时至今日▯▯,无线充电技术对大众而言,已不再是一件新鲜事。在消费电子领域,iPhone等多款高端手机早已支持无线充电的功能。但在汽车领域▯▯▯,即便是新能源大潮如此汹涌▯▯,拥有无线充电功能的汽车却依然寥寥无几,直到这两年,我们才看到宝马550e、荣威Marvel X等乘用车开始陆续支持无线充电功能。

  那么这项技术是什么原理▯,发展现状如何,未来何去何从?且听这篇文章为大家简要道来。

  无线充电技术可以上溯到赫兹和特斯拉,其奠基人正是著名发明家尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)▯▯。特斯拉先生在19世纪末的哥伦比亚世博会上▯▯▯,首次用无线电能传输的方式将一盏磷光灯点亮。而无线输电技术的早期发展,也充满了特斯拉的梦想与实践。

  在特斯拉的宏伟设想中▯,利用地球作为内导体、电离层作为外导体,在二者之间利用电磁波实现远距离输送电力。直到1901年,被称为特斯拉最大梦想的“沃登克里弗塔(Wardenclyffe Tower)▯▯”,在银行家摩根的资助下建成▯,并开始进行无线输电实验▯▯▯。这座传奇之塔在之后与传说中通古斯大爆炸的关系已然成谜,特斯拉也因为这座塔停止运作后陷入了财政危机。

  在这之后的100年里,无线输电技术虽然陆陆续续出现在各式各样的实验研究里,但从未开始过真正的商业化运营。毫无疑问▯▯,高效是这项技术应用的首要要求。

  汽车无线输电则更为特殊——除了效率的需求之外,这更多是由于汽车的特性决定的:

  · 功率需求:汽车无线充电功率等级较高,由于电动汽车电池大,充电时间要求尽量短▯▯,因此需要充电系统有几千瓦乃至几十千瓦的功率;

  · 间距与尺寸:汽车无线充电的间距是由汽车离地间距决定的,根据SAE轻型车无线输电的标准中▯▯,距离等级分为10-15/14-21/17-25cm,这与手机无线充电也大为不同,与此同时,充电线圈的大小也要尽量匹配汽车▯,尽可能轻;

  · 数据通讯:对于汽车来说▯,这套系统需要驾驶员遥控操作,此外该充电系统的开启与信息传导也是必需的——车端电池的需求充电电流、安全状态等信息要传回到地面端▯▯▯。

  而随着电动汽车的推广,电力电子和电池技术的进步,汽车无线充电也终于再次回到了舞台上▯▯▯,尽管只是主流舞台的小节目,但也逐渐引起了大众的关注。

  那么,汽车无线充电技术是什么原理呢?它并不是什么天顶星科技,但是还是有一些门道可说的。

  首先要说明的是,我们常用的无线电广播▯、Wifi等属于无线信息传输,不属于无线能量传输▯▯▯。而如果将无线电能传输▯▯,按传输距离远近进行分类▯▯,从远到近可以分为微波▯▯▯、激光、超声波、电场耦合和磁场耦合五类技术▯▯。有的研究者根据 (D是发射线圈最大直径,λ是电磁波波长)将这些技术区分为远场区与近场区两类。

  远场区技术更适用于长距离、低效率需求的电能传输;而近场区技术的近距离高效的特征▯,则让它更适用于近距离无线输电,而在近场区技术中,电场耦合式功率较小▯,而磁场耦合技术则更为适合。

  传统的磁场耦合技术仅适用于近距离▯,而2007年MIT教授Marin Soljacic团队的研究表明▯,在发射和接收端加入调谐网络后设计的磁耦合谐振无线输电,可以进一步提高传输距离,在两米距离点亮了60W功率的灯泡,并仍保持了40%的效率。这一研究重新点燃了无线输能领域的研究热情,后来的研发投入使得电动汽车无线输电的需求得到满足(距离15-50cm;效率大于85%;千瓦级大功率),使之商业化成为了可能▯▯▯。

  图5 MIT团队实现的磁耦合谐振式无线充电,让相距二米的灯泡持续发亮▯▯,是一项里程碑式的研究

  而在磁耦合谐振无线输电的技术基础上,研究者和工程师们进行了广泛的研究,包括线圈设计、谐振网络构建等方面的工作。而如果将汽车无线充电分为两类,可以分为静态无线充电与动态无线充电两类▯。这样的分类很容易理解,可以认为分别是停车充电与开车充电的差别▯。

  图6 丰田无线充电示意图,属于静态无线 英国无线充电公路概念图▯▯,属于动态无线充电

  在这条运营线路中,有两个充电位布置在公交始发站,有四辆无线充电公交车与四辆燃油车交替运行▯▯▯。下图中停车位铺设的长方形充电位即埋设的两组充电原边线圈,在客车车底安装了副边线圈,当客车停放入位后,对准充电位,则可以由司机开启无线充电。

  总体来看▯▯,无线充电相对于有线充电的优势是得到发挥的,那就是司机不需要插拔充电头,避免有线充电插头的损耗,可靠性高;司机在驾驶位上停完车一键即可充电,操作简单▯▯▯,无需专业人员▯▯;无线充电技术的效率足够,可以达到87%以上▯▯▯;无线充电线kW,两组线圈即使限功率运行,也可以达到40kW以上的充电功率。此外,大家比较关心的电磁辐射问题,在充电过程中的实地的电磁辐射水平符合ICNIRP 2010的辐射标准。

  静态无线充电还存在着一些小毛病有待解决▯▯,例如如何检测、排除充电两端线圈中的异物?这就是一个值得研究的问题。要知道如果有任何金属部件,哪怕是回形针,一旦落在了两个线圈中的落叶里也有可能引起火灾。又或是有小猫小狗等活物,处于两个线圈中,大功率输电也会给动物带来很大的安全威胁▯▯▯。

  尽管SAE在两年前推出了电动汽车无线充电标准SAE TIR J2954,中兴、华为▯▯▯、高通的踊跃投入,也有机会成为该领域的标准制定者。但与此同时▯▯▯,缺少技术标准也恰恰限制了该技术的普及▯。更不用说▯▯,汽车无线充电技术标准的设立▯,不仅仅是汽车领域的工作,还需要修订国内外相关电磁管理的标准条例;此外还需要同时与国际电磁机构互相报备▯,以确保相关频段的无线电波不会受到影响。目前国内无线充电系统标准仍在草案阶段▯,其他各国也都需要克服该问题。

  相关研究也有很多,针对车内外的乘客进行了辐射值的测量,数据显示符合国际标准,但更加严格的国内标准却未必能够满足。

  最后,关于无线充电未来的发展,研究者们非常欣喜地看到车企巨头如丰田、日产、本田、宝马▯;供应商如博世、高通、华为、中兴等等公司纷纷投入其中大力推广无线充电▯▯▯。而除了完善静态充电技术和标准,持续推广降低成本之外;动态无线充电也是一个极具潜力的方向。限于成本▯▯▯,动态无线充电即使是示范运营还不多▯▯▯,目前来看,固定线路的运行,如快速公交(BRT)、园区无人物流车▯▯、厂内AGV这些场景,或许将是动态无线充电的突破所在。

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