美科学家开发出120kW无线充电系统

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橡树岭国家实验室的研究人员利用这些线圈产生磁场，为电动汽车进行无线充电。
美国田纳西州橡树岭国家实验室（ORNL）的科学家们开发出了一种无线充电技术。他们说，这种技术可以在一小时内为一辆普通的电动汽车充满电。与他们在2016年宣布的类似无线充电系统相比，这是六倍的功率提升。他们报告说，目前正在对这种无插电动汽车充电技术做改进，以适用于运货卡车等商业应用。

橡树岭电力电子和电力机械集团的负责人Burak Ozpineci说，这个团队还没有完成。他说，他们正在朝着美国能源部设定的更大目标——即建立一系列快速、安全、简单的电动汽车充电系统——努力。按美国能源部2016年发布的指令的说法，这将“加速美国电动汽车的普及”。

他们的想法是将现有系统的功率吞吐量提高三倍，使电量耗光的电动汽车电池的总充电时间降至15分钟以下。且要给电动汽车充电，除了将电动汽车开到嵌入混凝土中的无线充电板上之外，无需将任何东西插入汽车或再做其他任何事情。

Ozpineci说，能源部的指令没有说明这些系统应该是有线的还是无线的。但他补充道，“我们的专长是在无线方面。所以我们说，我们将做无线部分。”

目前艺术家们用概念画所描画的电动汽车充电泵类似于汽车加油站，不过其释放的是电子而不是石油。而电动汽车无线充电装置代表的可能不仅仅是一种新的汽车燃料来源。就像20到30年前的无线互联网革命一样，电动汽车的无线电源可能不仅仅改变汽车的电力来源。一些未来学家认为无线电源正在“智慧城市”的兴起和加油站的消亡中扮演重要角色。


照片来源：Genevieve Martin/ORNL/DoE
这些由ORNL设计的无线线圈和电力电子设备可以以97%的效率安全地通过空气传输大量电能。
Ozpineci说，他们这可输出120千瓦功率、效率为97%的无线充电技术所涉及的两个关键要素是他们所用的材料以及传输和接收电力的线圈。在今年9月份的IEEE能量转换博览会（IEEE’s Energy Conversion Congress and Exposition）上，他们介绍了这项技术的详细信息。他们的这篇文章很快将在IEEE Xplore数据库上发布。
将无线电力从地面单元发射到电动汽车中的电力接收单元（两者之间隔着宽约6英寸的气隙），意味着快速震荡地面线圈中的电场和磁场，并在电动汽车中的接收线圈中引起类似行为。Ozpineci说，实际上，这意味着通过约每秒22,000个周期（即22千赫兹）的振荡电流来输出120千瓦的功率。

他说：“问题是通常我们都有硅器件，而当我们达到更高的功率水平时，你无法在更高的开关频率下运行它们。在10千瓦时，你可以切换到20 千赫兹。但是当你达到100千瓦甚至更高时，你必须降低开关频率——因为散热问题、设备响应问题及很多事情。”


照片来源：Genevieve Martin/ORNL/DoE
该线圈通过大约22千赫兹的振荡电流来输出120千瓦的功率。
但是，以高效率传输更高的功率需要更高的开关频率。因此，这实际上意味着既要把硅换成更可靠（也更昂贵）的碳化硅，又要强化电力交换的发送端和接收端上的线圈。

Ozpineci说，特斯拉的Model 3也使用碳化硅电子产品。因此，橡树岭国家实验室的技术对材料的依赖在电动汽车系统中并非前所未有。另一方面，他们承认他们的100磅（45千克）线圈需要进行一些改进和优化，才能将其推向商业化生产的设计阶段。

然后，他们必须进一步创新设计，使功率提高三倍才能达到能源部350至400千瓦的目标。Ozpineci说，这项工作正在进行中，但他怀疑在任何350千瓦或更多的无线增压器中都必须有多个电源模块。


照片来源：Genevieve Martin/ORNL/DoE
管理ORNL开发的新无线充电系统的构成组件之间电流的电力电子设备。
“我们能够使用单一电源模块，”他谈到目前120千瓦的机组时说，“我们正处于或接近这些电源模块的极限。若要做超越极限的事情，我们要么需要把这些模块并联，要么需要把两个逆变器并联。当你这样做的时候，你会因要同步运行这些东西而遇到更多挑战。”
Ozpineci说，他的团队还在进行所谓的电动汽车动态无线充电系统的可行性研究。动态无线充电系统可使用安装在道路下的无线充电板自动为行驶中的电动车辆充电。
他说：“世界上许多团体都在关注它，但大多数人都在考虑降低功率。比如20千瓦。但我们不将自己局限在20  千瓦。我们需要100 千瓦吗？需要120 千瓦吗？需要更高的功率吗？无论我们得出什么结果，美国能源部都可能为示范项目提供资金。”

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这种技术，中国也必须拥有，不能依靠别人。

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