探讨无线充电原理的优势和需要改进之处
耐用:电力传送元件无外露,因此不会被空气中的水份、氧气等侵蚀;无接点的存在,也因此不会有在连接与分离时的机械磨损及跳火等做成的损耗。
方便:充电时无需以电线连接,只要放到充电器附近即可。技术上,一个充电器可以对多个用电装置进行进电,在有多个用电装置的情况下可以省去多个充电器、不用占用多个电源插座、没有多条电线互相缠绕的麻烦。
电磁感应式,即是使用两个互感线圈进行无线充电。当输入端线圈中的电流发生变化时,输出端线圈的磁场即会随之发生改变,从而产生感应电流,将能量从输入端转换到输出端。使用电磁感应的原因进行无线充电要求两个设备的距离必须很近,并且只能一对一进行充电,充电时必须对准线圈。不过,能量转换率高,传输功率范围较大,能从几瓦到几百瓦。
无线电波式,即是通过接收无线电波进行无线充电,无线充电原理与矿石收音机类似。不过这种方式的传输功率非常小,最高仅为100毫瓦,且功效很低,大部分的能量会以无线电波的形式被浪费掉。在传输距离上稍有优势,最远距离为10米。
磁场共振式,即是通过$电磁共振的方式进行无线充电,原理与声波共振类似,只要两个介质具有相同的共振频率,就能够传递能量。这种方式的充电距离在电磁感应式与无线电波式之间,优点是传输功率较大,能够达到几千瓦,可以同时对多个设备进行充电,不要求两个设备之间线圈对应;缺点就是损耗很高,距离越远,传输功率越大,损耗也就越大,最麻烦的是必须对使用的频段进行保护。
从以上三种方式的优劣中,不难发现,仅有电磁感应式和磁场共振式在电动汽车的无线充电上有实现的可能。不过,孰优孰劣,就要靠市场和消费者自己来进行抉择了。
日产的系统采用了电磁感应的方式,车辆通过与感应线圈产生感应而进行充电。该充电系统可以内置于地板中,也可以以充电桩的方式安装在室外。需要充电时,车主只需将车开到感应线圈的范围内,系统将自动检测到车辆,车主通过应用程序启动和关闭充电过程。充电系统的安装位置和外界的天气情况均不会对充电时间造成影响。
由于磁场共振的特性,只要电动汽车进入了充电系统的覆盖范围,即可以自动开始充电过程,无需进行额外的操作,也不需要开发专门的控制程序。
研究团队开发了两种不同的充电方式,一是由Bombardier提供的20千瓦、380伏特的三相交流快速充电系统;二是由Inverto提供的3.8千瓦、240伏特的直流慢充系统。其中交流充电系统还能够除了在乘用车上之外,还在公交车上进行了验证。
最终的试验数据表明,使用交流快速充电系统,可以在2.5小时内将C30充满电。
除了这三家制造商之外,奔驰、奥迪和特斯拉也在进行无线充电技术的研究;雷诺汽车与高通公司合作,开发基于雷诺电动汽车的无线充电系统;而于2014年开赛的纯电动版F1,也将采用无线充电技术。
无线充电真的是众望所归么?
对于汽车制造商们来说,无线充电的意义重大。如果能够全面普及无线充电技术,就能够极大地提高电动汽车充电的便利性,不管是在充电过程上,还是在续航上,都将大大增加人们对于电动汽车的接受度。可以说,成熟发展的无线充电技术,将会是电动汽车占领市场的开疆之臣。然而,关键就在于,他现在还并不成熟。
安全问题。无线充电技术不管是采用电磁感应式还是磁场共振式,都有发射能量和接受能量的过程,因此,充电过程的安全性饱受质疑,人们都在担忧是否会造成辐射。尽量MIT和沃尔沃的研究团队都表明电磁共振使用的磁场与地球磁场类似,对于人类的健康并无影响,但是取得消费者的信任依然是个漫长的时间。
未形成统一的标准。与有线充电技术一样,标准化也是阻碍无线充电原理技术发展的障碍之一。电磁感应和磁场共振两种方式孰优孰劣还未产生定论,单就其中一种方式而言,不同的企业和研究组织也使用了不同的标准。最简单的,无线充电技术中所使用的线圈形状就是个问题。目前业内使用的主要有圆形和方形两种,然而形状不同,磁路不同,线圈之间就无法高效地传递能量。圆形和方形线圈也各有优劣,厂商的选择也不尽相同。互不兼容的方式和设备,让没有统一标准的无线充电技术,难言发展和普及。
成本与电网负荷。成本与普及之间永远存在着典型的“鸡与蛋”的问题,尤其目前的无线充电设备为了保证传输效率,所采用的线圈尺寸均较大,成本均较高,维修费用也大。另外,从沃尔沃充电设备的实验数据中不难看出,目前磁场共振方式中能量转换率还是很低的,用电成本也会随之增加。同时,能量的损耗会随着传输功率和传输距离的增加而增加,当多辆电动车同时充电时,对于供电系统的负荷也将大大增加。如果要对城市的电网进行相应改造,也是一笔很大的经济投入,或许就是得不偿失。而且,无线充电技术无法支持V2G,仅仅是单纯地增加了电网负荷。
目前无线充电原理领域的技术难题和研究现状,总结下来有以下几方面的关键问题有待探讨:1、无线供电不应仅仅局限于消费电子领域;2、技术标准需要企业和制定部门协同合作;3、技术名称在不同场合称呼不同,需要有一个统一的定义;4、电磁兼容和电磁干扰的研究需要继续深入;5、环境安全问题,消除老百姓的安全担忧;6、提高效率、功率、增加距离和缩小体积之间的矛盾问题。
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