在1941年出版的短篇科幻小说Reason里,阿西莫夫描绘了这样一个世界:太空站通过阳光收集能量,再利用一种微波为周边的几个星球提供生活所需的电力。这一梦想在2007年变得离现实稍近了一些。那一年,麻省理工学院物理学教授马林·索尔亚契奇(Marin
Soljacic)成功在离电源2米处魔术般地隔空点亮了一盏60瓦灯泡。

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无线充电技术源起

索尔亚契奇教授的实验依靠的是他经过2年研发出来的电磁共振技术,该技术能够在数米距离内隔空传输电力。论文发表后,不少研究人员和商人试图将电磁共振技术用于小至手机、灯泡,大至电动汽车的不同设备。

HEVO公司的创始人杰瑞米·麦库尔(Jeremy
McCool)就是其中之一。这位前美国陆军上尉从伊拉克战场回来以后开始探索清洁能源领域的商业机遇。

麦库尔曾在太阳能供电创业公司1BOG供职。2010年,他重返校园在哥伦比亚大学攻读城市政策和可持续性发展学士学位。电磁共振技术在此期间进入到了他的视野,之后他花了1年的时间探索这个技术在电动车充电上的应用及它的市场需求。

电磁共振不是最早的无线充电技术。电磁感应技术作为最初级的无线充电技术已经存在了一个世纪之久。它运用的是物理学家迈克尔·法拉第在1830年代发现的电磁感应原理。连接电源的送电线圈在电子流动时产生磁通量,接收线圈受到磁通量的变化再产生电子流动形成电流。

商业化的电磁感应式无线充电技术也已经被广泛应用于低功耗的电动牙刷之中。而Google、索尼、诺基亚等厂商也在自己的多款智能手机中内置了相同原理的无线充电功能。

但电磁感应技术在无线充电中有一个重大缺点—它需要充电器与物体贴在一起并且完全对准才能正常充电,在使用中不够灵活。

电磁共振实现的一个跨越性的改变是在两个线圈之外增加了高频驱动电源。它的运作原理就像音叉一样,接收线圈接收到与自己发射的频率相同的声波时,便会产生共振,接收线圈的电子在震动中流动,最终动能再转化为电能。

除了丰田之外,BMW、日产等公司也都开始研发电磁共振无线充电技术。接下来的几年中汽车公司将会推出上百种新型号的电动车,而电磁共振让未来充满了更多的想象空间。

麦库尔避开了和汽车厂商在家用电动车市场的竞争,最终选择为商用电动货车提供无线充电解决方案。

纽约州交通局为了鼓励货车电动化而推出的5年期激励计划也是促使他选择货车市场的重要原因。州政府第一年的优惠补贴预算就有1000万美元。可口可乐、百事可乐等拥有大规模货运车队的公司都是这个计划的响应者。

与这些公司交流后,麦库尔发现商用电动车的充电面临许多特殊的问题。比如货车体积较大,容易意外损坏针对家用电动车设计的小型充电设备。

充电站的位置往往也不在货车经常行驶的道路上。为了不让货车绕道充电、耽误行程,货运公司大多只能自己在仓储中心附近设置充电站。此外它们往往需要购买更贵更重更大尺寸的电池以满足远距离行驶。大部分货车配置的是100千瓦时的电池,以支撑80至120公里的行驶距离。

窨井盖配手机

经过1年的市场需要和技术调研,2012年,HEVO公司开始与纽约大学的一群工程师们合作,启动针对商用电动货车的电磁共振无线充电技术的研发。

金沙网站手机版,路边放置的充电设备往往显得很突兀。麦库尔从井盖中找到了解决这个问题的灵感。工程师们将充电设备设计成窨井盖的样子,货车只要开到井盖上方,启动车载接收器就可以进行充电。

由于电磁共振技术可以在一定距离外进行传输,司机不需要非常精确地停放车辆。

仅在这个井盖式的安装设计上,纽约大学的12个工程师们就做了几十个雏形,并在雨、雪、高温等各种环境中做了测试。在麦库尔看来,硬件设计并非将电磁共振技术商业化所需要面对的唯一挑战。

“我们需要让客户能够看到充电过程以及电动车的使用数据,让它们感受到看不见的技术对自己生活的改变。”麦库尔在接受采访时表示。

HEVO的4人软件开发合作团队设计了一个与充电设施配套的智能手机应用。该应用可以让司机看到自己附近充电器的位置。充电期间,司机也不用在充电站附近等待,他可以随时通过应用了解充电进度。充电完成后的支付也可以直接在手机上完成。

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HEVO无线充电窨井盖工作原理示意图

此外公司还可以通过终端系统了解每辆车的充电情况以及碳排放量,随时调取历史数据来调整充电策略。另外这些数据还有一个重要的功能是检测充电情况是否正常,当数据发生异常时,报警消息会立刻发送给工程师和司机,然后工程师可以远程排查故障。

为了让货车有更灵活的充电选择,HEVO还准备在商用货车常用的停车场和卸货地点设立无线充电站,让不同公司的不同型号的货车在卸装时都可以使用,降低了货运公司的基础设施建设成本。

HEVO产品的所有功能大部分都是和潜在客户们共同开发的。2014年上半年,HEVO将启动8个测试项目,各持续半年时间。除了第一个项目位于纽约大学校区内,其他的都是HEVO的商业客户,包括Walgreens超市、联邦快递以及百事公司旗下的玉米片生产商Frito-Lay。

瓶颈待破,标准待兴

麦库尔希望通过这些测试项目的反馈进一步改善技术,更重要的是在今年定下最合理的价格。

无论从技术还是定价上,HEVO都在尽可能地接近目前电动车普遍使用的插头式电动充电站。普通的交流电插头式充电器充满24千瓦时的电池需要大概4个小时,HEVO的无线充电速率与之相当。

无线充电的效率比插电式的充电要低,效率损失主要来自充电器和车辆之间的距离,距离越远损失就会越大。插头式充电时平均只有2%至3%的电量流失,而HEVO的电量流失在5%至15%。从金额的角度,充满24千瓦时的电池会损失将近1美元的电力。

在充电设备的定价上,HEVO也打算将成本控制在3500到5000美元之间,与插头式充电站相当。

不过无线充电技术依然无法解决电动车普遍遇到的最大问题—充电速度。比起传统汽车几分钟时间就能完成加油的便利性,充电技术依旧相差很远。而且像在美国等按照阶梯式分级费率收取电费的地方,使用电动车将大大增加用电量,以至被征收更高的费率。

汽车生产商试图通过更快的充电技术解决这个问题。2010年,日本的丰田汽车公司、日产汽车公司、三菱汽车公司、富士重工汽车公司和日本东京电力公司为了推动电动车的普及共同发起了国际电动汽车联盟CHAdeMO。

目前全球有270家汽车制造商、充电器制造商等企事业团体加入了该协会。这个协会的成员近两年开始引入直流电开展迅速充电技术,直流电通过高压电流输电速率可以达到交流电的10倍以上,将原本4小时的充电时长缩短到20分钟。

能源咨询公司IHS Automotive的研究员阿拉斯泰尔·海菲尔德(Alastair
Hayfield)认为比起电磁共振的无线技术,CHAdeMO快充更可能成为主流的充电技术,他说:“无线充电除了需要更长的时间之外,还有很多其它因素阻碍它在短期内成为一个可行的方案,比如它还没有进入真正的生产阶段,电磁线圈需要额外的成本。”

电磁共振技术商业化缓慢的一个重要原因是行业标准姗姗来迟。2013年下半年,美国汽车工程师协会(SAE)发布了J2954无线充电标准,对无线充电技术的频率和安全设下行业规范。这种行业标准对于任何一项技术的普及都是至关重要的,在此之前,全球各地的电磁共振研发采用的都是各自不同的频率,互相无法兼容,也没有人敢在标准确立之前投入市场生产。

而CHAdeMO依然在部分地区面临着这样的政策风险。CHAdeMO所使用的直流电标准并不符合国际汽车工程师协会在2012年所设立的规范。现在欧盟议会正在CHAdeMO与SAE两个标准之间踌躇未决,如果最终欧盟选择了SAE标准,欧洲的CHAdeMO充电站都将被撤除。

麦库尔称更高功率的充电设备可以提升无线充电的效率。之所以还没有商用的计划是出于对商业定价的考虑。低功率的交流电无线充电最接近目前市场上的传统充电站的定价,直流电的价格将远远高于市场能接受的。不过麦库尔预计伴随着技术商业化的普及和规模生产,成本将不断降低,在两三年之后高功率的无线充电就可以实现了。

小结:

而在人们更关心的电动车远程驾驶上,麦库尔认为无线充电有望在未来提供更便利的选择。一种设想是在公路路面下埋设无线充电器,让汽车在行驶中充电。不少公司已经开始这方面的研究,比如荷兰的Studio
Roosegaarde和英国的HaloIPT公司。无线充电将逐渐改变电子产品的设计和制造,并在20至30年后最终改变电力公司的供电方式,将100年前特斯拉所设想的无线供电城市变成现实。在麦库尔看来,希望就在不远处。

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