撰文 / 钱亚光
设计 / 赵昊然
来源 / ornl.gov, livescience.com, says.com
作者 / Keumars Afifi-Sabet, Suvrat Kothari, Syazwan Bahri
可能在不久的将来，你只要把电动汽车停在车库或停车场的特定车位上，不用插拔烦人的充电线，不用下载充电应用程序，车辆就会通过无线充电设备自己把电充好。
无线充电，有可能会发展成为一个单独的巨大的市场。根据加拿大调研公司Nova One Advisor的报告，2022 年全球电动汽车无线充电市场规模约为3406万美元，到2032年预计将达到212亿美元，年复合增长率高达90.3%。
据3月12日发布的一份声明，美国田纳西州橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）的科学家们使用带有旋转磁场的“多相电磁耦合线圈”为一辆续航里程约为261英里（约420公里）的现代科纳电动汽车无线充电。
ORNL研究人员在使用多相电磁耦合线圈演示以100千瓦功率向电动汽车进行无线充电
摄影：Genevieve Martin
系统采用直径14英寸（约36厘米）的充电设备原型，经5英寸（约13厘米）的空间间隙向电动汽车充电，功率为100千瓦，充电效率高达96%，与目前一些高速公路上的有线充电桩相当。
“我们已经为这类车辆的无线充电系统实现了世界上最高的功率密度。”参与这项工作的ORNL研究员奥马尔·奥纳尔（Omer Onar）在声明中说，“我们的技术比传统的线圈技术高出8-10倍的功率密度，可以在20分钟内将电池电量提高50%。”
作为参考，美国最快的电动汽车有线充电桩提供的功率在50千瓦至350千瓦之间，而美国家用的充电电缆输出功率为1千瓦。
传统的无线充电装置充电功率不超过20千瓦，使其难以广泛采用。此外，它们的巨大占地面积和特定的气隙要求使其在公共场所安装具有挑战性。然而，ORNL的新型无线电动汽车充电系统为这些限制提供了突破性的解决方案。
新颖的线圈设计
ORNL在20世纪40年代率先造出原子弹，并在超级计算、材料科学和能源存储方面取得过多项突破。其早在2016年就开始了汽车无线充电研究，并开发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ORNL已将台架测试中的无线充电功率提高到了120千瓦，效率高达97%。
研究人员称，最新的无线充电系统是目前世界上该级别汽车无线充电系统中最高的功率密度，是一项突破性的、里程碑式的成就，为电动乘用汽车快速高效的无线充电打开了大门。
无线充电自19世纪尼古拉·特斯拉证明磁共振耦合以来就存在了。这项技术在手机和智能手表中以小规模存在，但在电动汽车上实现无线充电是相对较新的。
无线充电技术主要包括微波无线充电、电磁感应式无线充电、电磁共振式无线充电三种。目前电动汽车无线充电主要是采用电磁感应和电磁共振两种方式。
以往的电动汽车无线充电多采用的是电磁共振，依赖于铜线圈形式的大型磁环天线来创建振荡磁场。这会在接收天线中产生电流。然后，每个线圈都在相同的频率上共振，电力就可以传输。比如美国的WiTricity，日本的丰田、本田等都是用这种方式。
ORNL的轻量级多相电磁耦合线圈设计，允许在较小的线圈中实现更高的功率密度
摄影：Genevieve Martin
ORNL的无线充电系统使用了电磁感应形式。ORNL团队设计出一种全新的“多相电磁耦合线圈（polyphase electromagnetic coupling coils）”设计，并与最新的碳化硅电力电子设备共同加以优化，大幅降低了设备的体积和重量，实现了速度和效率方面的重大飞跃。
新系统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。
其关键创新在于发射器使用三相交流电产生双极电磁场的能力，从而使线圈配置更加紧凑，效率更高。因此，磁场更加均匀，在给定大小的情况下，可以实现更加一致和更高的传输功率。
高功率低损耗
以往无线充电技术最大的障碍是效率，充电时会以散热的形式消耗大量能量。虽然电动汽车的动力系统比内燃机的效率高得多，但充电效率并不是100%。如果将电动汽车从0-100%充电，你可能会注意分配到充电桩的电量，比电池标称的电量还要多。这些多余的电量通常会在传输过程中转化为热量消散。
一项Car and Driver测试显示，特斯拉Model Y高性能版的81千瓦时电池，在完全充满电时消耗了92.2千瓦时，损耗约为14%。损耗将根据电动汽车和充电器本身而有所不同。
而ORNL通过新线圈设计可能会解决热损耗问题。在测试中，ORNL系统的无线充电系统损耗只有6%左右。
奥纳尔说：“我们为这类车辆的无线充电系统实现了世界上最高的功率密度。”研究人员补充说，这种新型线圈设计轻巧，能实现更高密度的能量流动。这意味着在更长的距离上损失的能量更少，也可以减少线圈的大小，以实现与传统线圈技术相同的充电速率。
他们近期目标是将无线充电的功率提高到200千瓦，远期目的是达到350-400千瓦充电功率，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。
ORNL已将其创新的电动汽车无线充电技术授权给布鲁克林的HEVO，标志着这一突破性技术将进入商业化阶段。HEVO公司正在开发世界上最快、最通用的无线充电平台，可以提供高达300千瓦的充电能力。
走向商业化
除了ORNL以外，美国的其他几个无线充电项目要么处于试点阶段，要么已经部署到早期采用者那里，包括布鲁克林、印第安纳波利斯和洛杉矶的初创公司，但目前的无线充电系统功率都不够高。
Plugless Power制造的无线充电器提供3.3千瓦至7.2千瓦的充电功率，可以集成到停车位中。
由麻省理工学院衍生公司WiTricity制造的无线充电器功率为3.6千瓦至11千瓦。WiTricity在中国和宇通客车、一汽红旗、智己汽车等多家公司合作推出无线充电服务，还为商业车队部署了几个无线充电站，并通过改装福特野马Mach-E展示了其技术。
无线充电技术虽然仍处于起步阶段，但显示出很大的潜力，有可能让充电基础设施更精简、更方便，从而解决电动汽车车主和汽车制造商目前面临的许多问题。几家领先的汽车制造商已经在探索电动汽车的无线充电。
2019年，宝马在530e iPerformance混动就搭载了无线充电装置，充电功率约3.2千瓦。现代汽车集团的豪华部门捷尼赛思(Genesis)也在研发这项技术。
特斯拉首席设计师弗朗茨·冯·霍兹豪森（Franz von Holzhausen）曾表示，该公司在去年年底的Cybertruck审查环节中一直在研究这项技术。去年特斯拉还曾收购了德国无线充电初创公司Wiferion，并在几个月内将其出售。但据报道，特斯拉保留了一些相关的工程师。
沃尔沃在无线充电方面也取得了重大进展，为瑞典哥德堡的一支全电动沃尔沃XC40车队提供了约40千瓦的充电电源。
克莱斯勒Halcyon概念车也具备无线充电功能，福特申请了“道路无线充电线圈”专利。
中国在2020年率先发布了电动汽车无线充电四项标准，中兴新能源、比亚迪、中科院电工所、华南理工大学等公司和机构，也在进行电动汽车无线充电系统的研发与应用。
目前中国电动汽车无线充电技术稳定状态下充电效率可维持在88%至92%之间，充电功率也从3千瓦向11千瓦乃至更高功率发展。
无线电动汽车充电，在速度和效率方面，已经具备与当前直流快速充电桩相媲美的潜力，可能会在未来几年彻底改变为汽车供电的方式。
那么这种解决方案的成本是多少？能不能普及？这些重要的问题现在还没有明确的答案，但从目前的发展来看，可以肯定的是，高效、商业化的电动汽车无线充电已经不再是不切实际的提议。
