Обрезать шнур было давней мечтой для зарядки электромобилей, но частично этому помешала низкая скорость зарядки. Национальной лаборатории Окриджа (ORNL) удалось выжать из седана Porsche Taycan EV с рекордную мощность 270 киловатт, при этом под рукой не было шнура. Это произошло всего через три месяца после того, как Oak Ridge анонсировала рекордную на тот момент беспроводную зарядку мощностью 100 кВт для кроссовера Hyundai Kona.
Мощность zippy 270 кВт не уступает некоторым из самых быстрых общественных зарядных устройств постоянного тока в мире. И даже на самых мощных зарядных устройствах постоянного тока мощностью 350 кВт такие автомобили, как Taycan и Hyundai Ioniq 5, по-прежнему могут заряжаться только на уровне от 230 до 250 киловатт. Этот уровень зарядки позволяет увеличить количество совместимых электромобилей с 10 до 80 процентов менее чем за 20 минут. По данным ORNL, его беспроводная система может увеличить заряд аккумулятора на 50 процентов примерно за 10 минут, что заметно быстрее, чем у предыдущих беспроводных систем.
Система Oak Ridge соединяет панель магнитно-резонансного передатчика с приемником, установленным в нижней части автомобиля. Секретом системы являются ее многофазные обмотки — легкие электромагнитные катушки, расположенные поверх катушки для создания вращающегося магнитного поля, которое устраняет пульсации тока и подавление поля.
“У вас постоянная передача энергии, а не пульсации в воздушном зазоре, поэтому происходит существенное улучшение использования магнитного поля в пространстве-времени”, - говорит Омер Онар, руководитель исследовательской группы ORNL по силовой электронике для транспортных средств. По словам Онара, полученная в результате система может обеспечивать в восемь-10 раз большую удельную мощность, чем сопоставимые однофазные беспроводные зарядные устройства, и более чем 95-процентный КПД.
Система компактна как с передающей, так и с принимающей сторон. Онар говорит, что мощный ресивер мощностью 270 киловатт вписывается в пространство, которое Porsche выделила для потенциального беспроводного зарядного устройства мощностью 11 киловатт в будущих версиях Taycan. Электромагнитные катушки в приемнике имеют диаметр менее 50 сантиметров. Компания ORNL заявила, что ее система является самым легким в мире устройством беспроводной зарядки в расчете на киловатт - 7,5 киловатт на килограмм по сравнению с 1,9 кВт / кг у беспроводной системы компании Brusa, которая в целом выдает всего 22 кВт мощности.
Onar отметил несколько потенциальных преимуществ перед проводными системами. Нет необходимости возиться с громоздкими зарядными кабелями и вилками, что является особой нагрузкой для пожилых пользователей и пользователей с ограниченными возможностями. И здесь нет кабелей, которые можно было бы повредить или украсть из-за их медной проводки, как это произошло во время недавней волны краж, из-за которых некоторые зарядные станции вышли из строя.
Более того, система беспроводной зарядки должна быть проще в обслуживании. Кабели постоянного тока с жидкостным охлаждением, используемые на многих зарядных станциях, требуют регулярного технического обслуживания для замены таких компонентов, как штекерные разъемы — печально известная неисправность системных блоков комбинированной зарядки, отличных от Tesla, - а также насосов, вентиляторов и теплообменников. И эти кабели постоянного тока часто резко отключают питание при достижении максимальной температуры, что, как правило, происходит после многократных последовательных заправок. Onar сообщает, что другие национальные лаборатории протестировали популярное зарядное устройство мощностью 350 кВт и обнаружили, что его кабели не выдерживают температуры выше 50 ° C перед отключением заряда.
Разрешение водителям просто парковаться на подземной зарядной площадке может решить еще одну проблему с проводами: слишком короткие кабели не позволяют дотянуться до электромобилей, порты зарядки которых расположены в нетрадиционных местах, или кабели, до которых невозможно дотянуться из-за неудачного расположения стойки для зарядного устройства. И в отличие от многих старых беспроводных систем, которые требовали почти идеальной парковки, система Oak Ridge даже не требует, чтобы автомобиль был идеально выровнен по подземной площадке. С системой ORNL автомобиль может быть смещен более чем на 12 сантиметров и при этом получать эффективную зарядку; в конечном счете, система может использовать камеры вашего автомобиля и бортовые системы наведения, чтобы выровнять положение.
Онар заявляет, что беспроводные системы были бы идеальными для роботакси следующих поколений, в которых нет водителя-человека. Небольшие автопарки таких роботакси уже работают в Китае и некоторых частях Соединенных Штатов и Европы.
“Автомобили могут самостоятельно управлять автомобилем и самостоятельно парковаться, но вам все равно нужен кто-то, кто их подключит”, - говорит Онар.
Даже сегодня, по словам Онара, правила работы запрещают многим водителям ИБП или других служб доставки самостоятельно заправлять автомобили. Беспроводную заправку можно было бы в значительной степени автоматизировать; вы бы просто припарковали грузовик и ушли.
Прототип зарядного устройства мощностью 270 киловатт может работать с легковыми и грузовыми автомобилями с различным зазором между землей. Относительно низкий Taycan имел 12-сантиметровый воздушный зазор между приемником и передатчиком. Компания Onar заявляет, что в рамках совместного проекта с UPS система работает на расстояниях до 28 сантиметров, достаточных для грузовых автомобилей или даже полуприцепов.
Что касается безопасности, ORNL заявляет, что система соответствует всем ограничениям на излучение электромагнитного поля, излучая при мощности 270 кВт электромагнитное поле примерно в 19 микротесл, и это без какого-либо экранирования. По словам Онара, однофазная кольцевая система, вероятно, излучала бы более 57 мкТл при аналогичном уровне мощности.
Автомобильные ресиверы могут работать в полном диапазоне классов мощности, от более медленной домашней зарядки до самых мощных устройств постоянного тока. Онар говорит, что раннее внедрение может быть сосредоточено на домашних зарядных устройствах, которые могут выдавать от 11 до 22 киловатт. Однако до коммерческого применения еще как минимум несколько лет, поскольку технологии все еще необходимо перейти из лаборатории в производство.
Компания ORNL занимается проблемой беспроводной зарядки уже более 10 лет. Последний проект Porsche является плодом сотрудничества с Volkswagen, материнской компанией Porsche, которое началось в 2021 году и финансируется Министерством энергетики США. Hyundai Motor America и Stellantis входят в число других автопроизводителей, спонсирующих исследование Oak Ridge. Лаборатория видит коммерческий потенциал не только в зарядке электромобилей, но и в беспроводных зарядных площадках для смартфонов и другой персональной электроники, а также в промышленном оборудовании, таком как дроны, автомобили с автоматическим управлением и другие мобильные роботы.