撰文 / 錢亞光
編輯 / 塗彥平
設計 / 趙昊然
來源 / ornl.gov, livescience.com, says.com
作者 / Keumars Afifi-Sabet, Suvrat Kothari, Syazwan Bahri
可能在不久的將來，你只要把電動汽車停在車庫或停車場的特定車位上，不用插拔煩人的充電線，不用下載充電應用程序，車輛就會通過無線充電設備自己把電充好。
無線充電，有可能會發展成爲一個單獨的巨大的市場。根據加拿大調研公司Nova One Advisor的報告，2022 年全球電動汽車無線充電市場規模約爲3406萬美元，到2032年預計將達到212億美元，年複合增長率高達90.3%。
據3月12日發布的一份聲明，美國田納西州橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）的科學家們使用帶有旋轉磁場的“多相電磁耦合線圈”爲一輛續航裏程約爲261英裏（約420公裏）的現代科納電動汽車無線充電。
ORNL研究人員在使用多相電磁耦合線圈演示以100千瓦功率向電動汽車進行無線充電
攝影：Genevieve Martin
來源：美國能源部橡樹嶺國家實驗室
系統采用直徑14英寸（約36厘米）的充電設備原型，經5英寸（約13厘米）的空間間隙向電動汽車充電，功率爲100千瓦，充電效率高達96%，與目前一些高速公路上的有線充電樁相當。
“我們已經爲這類車輛的無線充電系統實現了世界上最高的功率密度。”參與這項工作的ORNL研究員奧馬爾·奧納爾（Omer Onar）在聲明中說，“我們的技術比傳統的線圈技術高出8-10倍的功率密度，可以在20分鍾內將電池電量提高50%。”
作爲參考，美國最快的電動汽車有線充電樁提供的功率在50千瓦至350千瓦之間，而美國家用的充電電纜輸出功率爲1千瓦。
傳統的無線充電裝置充電功率不超過20千瓦，使其難以廣泛采用。此外，它們的巨大占地面積和特定的氣隙要求使其在公共場所安裝具有挑戰性。然而，ORNL的新型無線電動汽車充電系統爲這些限制提供了突破性的解決方案。
ORNL在20世紀40年代率先造出原子彈，並在超級計算、材料科學和能源存儲方面取得過多項突破。其早在2016年就開始了汽車無線充電研究，並開發出世界上第一個電動汽車無線充電器，功率爲20千瓦。到2018年ORNL已將台架測試中的無線充電功率提高到了120千瓦，效率高達97%。
研究人員稱，最新的無線充電系統是目前世界上該級別汽車無線充電系統中最高的功率密度，是一項突破性的、裏程碑式的成就，爲電動乘用汽車快速高效的無線充電打開了大門。
無線充電自19世紀尼古拉·特斯拉證明磁共振耦合以來就存在了。這項技術在手機和智能手表中以小規模存在，但在電動汽車上實現無線充電是相對較新的。
無線充電技術主要包括微波無線充電、電磁感應式無線充電、電磁共振式無線充電三種。目前電動汽車無線充電主要是采用電磁感應和電磁共振兩種方式。
以往的電動汽車無線充電多采用的是電磁共振，依賴于銅線圈形式的大型磁環天線來創建振蕩磁場。這會在接收天線中産生電流。然後，每個線圈都在相同的頻率上共振，電力就可以傳輸。比如美國的WiTricity，日本的豐田、本田等都是用這種方式。
ORNL的輕量級多相電磁耦合線圈設計，允許在較小的線圈中實現更高的功率密度
攝影：Genevieve Martin
來源：美國能源部橡樹嶺國家實驗室
ORNL的無線充電系統使用了電磁感應形式。ORNL團隊設計出一種全新的“多相電磁耦合線圈（polyphase electromagnetic coupling coils）”設計，並與最新的碳化硅電力電子設備共同加以優化，大幅降低了設備的體積和重量，實現了速度和效率方面的重大飛躍。
新系統可以將電網中的能量轉化爲高頻交流電，由此産生的磁場可通過空氣間隙傳輸電力，在沒有接觸的情況下，將電力傳輸到車輛上的次級磁場，次級磁場再轉化爲直流電，儲存到車載電池裏。
其關鍵創新在于發射器使用三相交流電産生雙極電磁場的能力，從而使線圈配置更加緊湊，效率更高。因此，磁場更加均勻，在給定大小的情況下，可以實現更加一致和更高的傳輸功率。
以往無線充電技術最大的障礙是效率，充電時會以散熱的形式消耗大量能量。雖然電動汽車的動力系統比內燃機的效率高得多，但充電效率並不是100%。如果將電動汽車從0-100%充電，你可能會注意分配到充電樁的電量，比電池標稱的電量還要多。這些多余的電量通常會在傳輸過程中轉化爲熱量消散。
一項Car and Driver測試顯示，特斯拉Model Y高性能版的81千瓦時電池，在完全充滿電時消耗了92.2千瓦時，損耗約爲14%。損耗將根據電動汽車和充電器本身而有所不同。
而ORNL通過新線圈設計可能會解決熱損耗問題。在測試中，ORNL系統的無線充電系統損耗只有6%左右。
奧納爾說：“我們爲這類車輛的無線充電系統實現了世界上最高的功率密度。”研究人員補充說，這種新型線圈設計輕巧，能實現更高密度的能量流動。這意味著在更長的距離上損失的能量更少，也可以減少線圈的大小，以實現與傳統線圈技術相同的充電速率。
他們近期目標是將無線充電的功率提高到200千瓦，遠期目的是達到350-400千瓦充電功率，充電時間縮短到15分鍾或更短，並在高速公路上實現電動汽車動態充電。
ORNL已將其創新的電動汽車無線充電技術授權給布魯克林的HEVO，標志著這一突破性技術將進入商業化階段。HEVO公司正在開發世界上最快、最通用的無線充電平台，可以提供高達300千瓦的充電能力。
除了ORNL以外，美國的其他幾個無線充電項目要麽處于試點階段，要麽已經部署到早期采用者那裏，包括布魯克林、印第安納波利斯和洛杉矶的初創公司，但目前的無線充電系統功率都不夠高。
Plugless Power制造的無線充電器提供3.3千瓦至7.2千瓦的充電功率，可以集成到停車位中。
由麻省理工學院衍生公司WiTricity制造的無線充電器功率爲3.6千瓦至11千瓦。WiTricity在中國和宇通客車、一汽紅旗、智己汽車等多家公司合作推出無線充電服務，還爲商業車隊部署了幾個無線充電站，並通過改裝福特野馬Mach-E展示了其技術。
無線充電技術雖然仍處于起步階段，但顯示出很大的潛力，有可能讓充電基礎設施更精簡、更方便，從而解決電動汽車車主和汽車制造商目前面臨的許多問題。幾家領先的汽車制造商已經在探索電動汽車的無線充電。
2019年，寶馬在530e iPerformance混動就搭載了無線充電裝置，充電功率約3.2千瓦。現代汽車集團的豪華部門捷尼賽思(Genesis)也在研發這項技術。
特斯拉首席設計師弗朗茨·馮·霍茲豪森（Franz von Holzhausen）曾表示，該公司在去年年底的Cybertruck審查環節中一直在研究這項技術。去年特斯拉還曾收購了德國無線充電初創公司Wiferion，並在幾個月內將其出售。但據報道，特斯拉保留了一些相關的工程師。
沃爾沃在無線充電方面也取得了重大進展，爲瑞典哥德堡的一支全電動沃爾沃XC40車隊提供了約40千瓦的充電電源。
克萊斯勒Halcyon概念車也具備無線充電功能，福特申請了“道路無線充電線圈”專利。
中國在2020年率先發布了電動汽車無線充電四項標准，中興新能源、比亞迪、中科院電工所、華南理工大學等公司和機構，也在進行電動汽車無線充電系統的研發與應用。
目前中國電動汽車無線充電技術穩定狀態下充電效率可維持在88%至92%之間，充電功率也從3千瓦向11千瓦乃至更高功率發展。
無線電動汽車充電，在速度和效率方面，已經具備與當前直流快速充電樁相媲美的潛力，可能會在未來幾年徹底改變爲汽車供電的方式。
那麽這種解決方案的成本是多少？能不能普及？這些重要的問題現在還沒有明確的答案，但從目前的發展來看，可以肯定的是，高效、商業化的電動汽車無線充電已經不再是不切實際的提議。
