实现电动汽车的无线快充

美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）研究人员与美国大众汽车集团合作，使用ORNL开发的多相无线充电系统，第一次成功地演示向保时捷Taycan进行270千瓦无线电力传输。演示在地面和安装在车辆底部的线圈之间的12厘米间隙进行，该系统10分钟内充电50%，效率超过95%。据悉，ORNL和大众将在近期内继续合作，进一步改进270千瓦的充电原型，开发出更具成本效益和可制造性的系统。

WiTricity无线充电系统（图片来源：IEEE Spectrum)

快速无线充电重大突破

作为一辆轻型乘用车，保时捷Taycan很难配备传统的大型、重型无线电力传输系统。由于空间、重量和体积的限制，车辆无法支持充电硬件。ORNL使用直径超过19英寸的轻型多相电磁耦合线圈，可以在更小的线圈中实现更高的功率密度。这个过程类似于小型消费设备的无线充电，不过多相线圈的独特几何形状和设计，能利用线圈相位绕组产生的旋转磁场传输极高的功率。

“功率密度在无线充电中很重要，因为它表明系统相对于其尺寸可以处理多少功率。目标是通过更小、更紧凑的系统实现更高的密度，以提高整体效率和性能。”ORNL车辆电力电子小组负责人、保时捷演示首席研究员奥马尔·奥纳表示。

270千瓦无线充电的演示，标志着ORNL和大众汽车实施的美国能源部资助项目的完成。ORNL研究团队利用大众汽车在车辆集成方面的专业知识，在一辆电动汽车上检验了新的无线充电概念，通过一种专注于旋转电磁场的新设计，开发出高功率密度的无线充电系统。

 开发多相电磁耦合线圈

无线充电技术主要有四种，包括电磁感应、磁场共振、电场耦合和无线电波等，由于后两种传输功率很小，因此目前电动汽车无线充电主要是采用电磁感应和磁场共振两种技术。无线充电技术还包括过电压、过电流和短路保护系统，在电源中断或其他可能干扰安全电力传输的意外情况下启动关闭程序,，以确保设备和使用者的安全。

ORNL使用的是电磁感应无线充电技术，此前他们利用碳化硅器件设计了新型线圈，可以将电网中的能量转化为高频交流电，由此产生的磁场可通过空气间隙传输电力。在没有接触的情况下，将电力传输到车辆上的次级磁场，次级磁场再转化为直流电，储存到车载电池里。

早在2016年，ORNL就研究出世界上第一个电动汽车无线充电器，功率为20千瓦，到2018年将功率提高到了120千瓦，效率高达97%，和传统的有线充电系统差不多。但他们并没有止步，突破性地开发出了一种多相电磁耦合线圈。这种线圈又轻又小，只有14英寸，线圈相位绕组产生的旋转磁场，可以极大地增强功率，是传统线圈技术的8-10 倍，从而可以在极小的线圈里实现极高的功率密度。

3月份，ORNL使用这种线圈对一辆现代科纳电动汽车进行了充电测试，结果在12.7厘米的空气间隙中，实现了100千瓦96%的高效无线充电，在20分钟内将电池电量增加了50%，被誉为电动汽车无线充电领域的重要突破。然而这并不是ORNL的终点，研究人员的目标是将无线充电的功率最终提高到350~400千瓦，充电时间缩短到15分钟或更短，并在高速公路上实现电动汽车动态充电。

竞相发展无线充电技术

与此同时，宝马、奔驰等汽车巨头也在采用电磁感应技术发展无线充电。宝马530e iPerformance混动搭载无线充电系统，利用一块埋入地下的220伏充电板，充电车辆只需停在充电板前方，在3.2千瓦的无线充电功率下，3.5个小时就能充满9.4千瓦时的电池组，供530e以纯电形式行驶16英里，与运用有线充电的速率相当。

日本的丰田、本田等则采用磁场共振式，通过两个具有相同共振频率的线圈，一个作为发射器，一个作为接收器，激发共振而进行无线能量传输。这种技术允许距离较远的无线充电，与电磁感应技术相比，提供了更大的灵活性和充电距离。

美国WiTricity公司的无线充电系统，通过磁共振技术，利用近场的空间磁场来进行能量传递，使电源和接受设备之间精确调节匹配。

（本文编译自：Clean Technica,THE DRIVE,IEEE Spectrum）

编译：李忠东

来源：荣格-《国际汽车设计及制造》

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