Yujing Liu教授展示了適用于電動(dòng)渡輪、卡車(chē)和公交車(chē)充電的500千瓦感應(yīng)充電系統(tǒng)。DC-DC的效率可以達(dá)到98%。它每2平方米傳輸500千瓦，地面墊和機(jī)載墊之間有15厘米的氣隙。來(lái)源：查爾默斯理工大學(xué)

查爾默斯大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種感應(yīng)技術(shù)，可以在沒(méi)有人力或機(jī)械臂幫助的情況下進(jìn)行電池充電。這項(xiàng)技術(shù)也非常完善，很快就能向工業(yè)界展示。

一種基于碳化硅的新型半導(dǎo)體。還有一種新開(kāi)發(fā)的銅線，細(xì)得像人的頭發(fā)。這些因素突然使通過(guò)空氣傳輸高功率變得更加現(xiàn)實(shí)。

感應(yīng)充電是一個(gè)新事物

電動(dòng)牙刷已經(jīng)有幾十年的歷史了。近年來(lái)，手機(jī)和其他便攜式電子產(chǎn)品已經(jīng)掌握了這項(xiàng)技術(shù)。但由于電動(dòng)汽車(chē)的電池充電需要高功率，到目前為止，無(wú)線選項(xiàng)似乎過(guò)于復(fù)雜且無(wú)效。

然而，在需要經(jīng)常充電且環(huán)境要求很高的情況下，即使是在電池汽車(chē)的情況下——感應(yīng)充電現(xiàn)在似乎也面臨著突破。例如，電動(dòng)城市渡輪。

無(wú)人機(jī)手臂充電

這意味著，在哥德堡和斯德哥爾摩可以找到定期穿越城市水道的電動(dòng)渡輪，不需要人或機(jī)械臂的幫助來(lái)給電池充電。這同樣適用于工業(yè)、采礦和農(nóng)業(yè)中使用的城市公交車(chē)或無(wú)人駕駛電動(dòng)汽車(chē)。

查爾默斯大學(xué)電氣工程系電力教授Yujing Liu特別關(guān)注可再生能源轉(zhuǎn)換和交通系統(tǒng)電氣化。

“你可以在碼頭上安裝一個(gè)系統(tǒng)，在乘客上下車(chē)的同時(shí)，在某些站點(diǎn)為渡輪充電。充電是自動(dòng)的，完全不受天氣和風(fēng)力的影響，每天可以進(jìn)行30-40次。這可能是最明顯的應(yīng)用，”他說(shuō)。

“即使是未來(lái)的電動(dòng)卡車(chē)，也可能有潛在的應(yīng)用。因此，其動(dòng)機(jī)是這些卡車(chē)必須用如此高的功率充電，以至于充電電纜變得非常厚和重，因此很難處理。”

碳化硅半導(dǎo)體發(fā)展帶來(lái)了新的可能性

Yujing Liu表示，正是近年來(lái)少數(shù)零部件和材料的快速發(fā)展為新的可能性打開(kāi)了大門(mén)。

“一個(gè)關(guān)鍵因素是，我們現(xiàn)在可以獲得基于碳化硅的高功率半導(dǎo)體，即所謂的SiC組件。作為電力電子產(chǎn)品，這些產(chǎn)品上市才幾年。與經(jīng)典的硅基組件相比，它們使我們能夠使用更高的電壓、更高的溫度和更高的開(kāi)關(guān)頻率，”他說(shuō)。

這一點(diǎn)很重要，因?yàn)檎谴艌?chǎng)的頻率限制了給定尺寸的兩個(gè)線圈之間可以傳輸?shù)墓β省?/p>

高出四倍的頻率

“以前的車(chē)輛無(wú)線充電系統(tǒng)使用的頻率約為20kHz，很像普通的爐灶。它們變得笨重，能量傳輸效率不高。現(xiàn)在我們使用的頻率高出四倍。然后感應(yīng)突然變得有吸引力，”Yujing Liu解釋道。

他補(bǔ)充說(shuō)，他的研究小組正在與世界領(lǐng)先的SiC模塊制造商保持密切聯(lián)系，這兩家公司分別位于美國(guó)和德國(guó)。

“有了它們，產(chǎn)品的快速開(kāi)發(fā)將朝著更高的電流、電壓和效果發(fā)展。每?jī)扇昃蜁?huì)推出一個(gè)新版本，它可以承受更多的電流。這些類(lèi)型的組件是重要的推動(dòng)者，在電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，因此不僅用于感應(yīng)充電。”

最近的另一個(gè)技術(shù)飛躍涉及線圈中的銅線，它們分別發(fā)送和接收振蕩磁場(chǎng)，從而形成穿過(guò)氣隙的能量流的實(shí)際橋接。在這里，目標(biāo)是使用盡可能高的頻率。

Yujing Liu說(shuō)：“如果用普通銅線繞成線圈，它就無(wú)法工作，在高頻下會(huì)導(dǎo)致非常大的損耗。”

取而代之的是，線圈現(xiàn)在由編織的“銅繩”組成，由多達(dá)10000根銅纖維組成，每根只有70到100微米厚，就像一縷頭發(fā)。

這種適用于高電流和高頻率的所謂編織線也是在最近幾年才商業(yè)化的。

Yujing Liu強(qiáng)調(diào)的第三個(gè)例子是一種新型電容器，用于增加無(wú)功功率，這是線圈能夠建立足夠強(qiáng)大磁場(chǎng)的先決條件。

他強(qiáng)調(diào)，電動(dòng)汽車(chē)充電包括直流電和交流電之間以及不同電壓水平之間的幾個(gè)轉(zhuǎn)換步驟。

他解釋道：“所以，當(dāng)我們說(shuō)我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從充電站的直流電到電池98%的效率時(shí)，如果你不仔細(xì)定義測(cè)量值，這個(gè)數(shù)字可能沒(méi)有多大意義。”

“但你也可以這樣說(shuō)：無(wú)論你使用普通的導(dǎo)電充電還是借助感應(yīng)充電，都會(huì)發(fā)生損耗。我們現(xiàn)在所達(dá)到的效率意味著感應(yīng)充電的損耗幾乎可以和導(dǎo)電充電系統(tǒng)一樣低。差異如此之小，在實(shí)踐中可以忽略不計(jì)，大約只有1%或2%。”

數(shù)字吸引眼球

他補(bǔ)充說(shuō)，他的研究小組發(fā)表的研究結(jié)果引起了很多關(guān)注。

“就這一功率級(jí)別的效率而言，我們可能是世界上最好的，在150到500千瓦之間。”

但他并不認(rèn)為感應(yīng)充電最終會(huì)取代電纜充電。

我自己開(kāi)電動(dòng)汽車(chē)，看不出我將來(lái)會(huì)對(duì)感應(yīng)充電有任何用處。我開(kāi)車(chē)回家，插上電源……沒(méi)問(wèn)題。”

無(wú)線充電是一種比普通充電更可持續(xù)的技術(shù)嗎？

Yujing說(shuō)：“人們可能不應(yīng)該聲稱(chēng)這項(xiàng)技術(shù)本身更具可持續(xù)性。但它可以使大型車(chē)輛更容易實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化，從而加快逐步淘汰柴油動(dòng)力渡輪等。”

關(guān)于感應(yīng)充電的事實(shí)

使用感應(yīng)充電意味著電流可以在短距離內(nèi)傳輸，例如通過(guò)空氣、水和其他非金屬材料，而無(wú)需任何接觸或?qū)w。

其原理與許多廚房中使用的電磁爐相同。通過(guò)線圈的高頻交流電產(chǎn)生振蕩磁場(chǎng)。

但與烹飪不同的是，在烹飪中，熱量的產(chǎn)生是關(guān)鍵，感應(yīng)充電意味著車(chē)上的第二個(gè)線圈捕獲磁場(chǎng)中的能量，并將其再次轉(zhuǎn)換為交流電，經(jīng)過(guò)整流后，可以為電池充電。

過(guò)程中產(chǎn)生的熱量意味著要轉(zhuǎn)移的部分能量會(huì)損失。因此，盡可能減少加熱是技術(shù)開(kāi)發(fā)的一個(gè)重要目標(biāo)。