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不插电:电动汽车充电新方式

2021-08-11
来源:MathWorks

迈凯伦 Speedtail Hyper-GT 是这家英国汽车制造商有史以来速度最快的公路用车。

这款气电混合动力跑车的流线型外观极富新锐动感,在测试后期,其原型机在 NASA 位于佛罗里达州的 Johnny Bohmer 试验场上跑出了 403 公里(250 英里)的时速。2020 款的参数显示,这款跑车可以在 13 秒内从静止加速至时速 300 公里(186 英里)。

迈凯伦与 Lumen Freedom 合作,将后者的无线电动汽车充电 (WEVC) 系统纳入设计,让这款三座空气动力汽车在待机过程中随时为轻型电池充电。

Speedtail 是全球第一款采用该系统的汽车。

“未来将有多种充电方式可供选择。目前我们已经实现了静态充电,正向半动态充电迈进。最终目标是全动态充电,支持车辆在超过 100 公里的时速下充电。” —— Rod Wilson,Lumen Freedom 总经理

据 Lumen Freedom 总经理 Rod Wilson 和软件团队负责人 Radek Pesina 介绍,尽管感应式无线充电在手机、智能手表和其他小型设备上的应用越来越普遍,但在电动汽车领域,Lumen Freedom 为 Speedtail 提供的无线充电系统仍不失为一项新颖独到的解决方案。

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迈凯伦 Speedtail 靠近充电板。(图片所有权:McLaren Automotive Ltd.)

(企业供图,下同)

无线充电为电动汽车用户带来便利,对残障人士来说更是如此。此外,无线充电系统减少了城市地区视觉上的杂乱感,也比现有的插电式充电站占用更少的空间。

今后,无线系统能够为等待红绿灯和行驶在高速公路上的车辆充电,让续航里程焦虑成为过去式。“未来将有多种充电方式可供选择。”Wilson 表示,“目前我们已经实现了静态充电,正向半动态充电迈进。最终目标是全动态充电,支持车辆在超过 100 公里的时速下充电。”

对于 Lumen Freedom 来说,Speedtail 项目只是开始。他们的系统具备投产能力,或将为汽车设计、交通运输乃至电网带来巨大转变。

充电性能接受实测考验

WEVC 系统使用谐振感应磁耦合代替了电线、插头和笨重的充电站。

电源产生电流,电流从车辆下方地面上的发射板经由气隙传入车辆内置的接收板。电力传输效率可达 92% 甚至更高。

地面组件和车辆组件之间能够无线通信。司机可以通过 10 英寸车载触摸屏或智能设备上的应用来监控充电系统。

该系统支持高底盘,因此能兼容包括高性能跑车、家用轿车和 SUV 在内的所有车型。

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使用 Lumen 充电板为电动汽车充电。(图片所有权:Lumen Freedom)

Lumen Freedom 自 2016 年成立以来,完善了 WEVC 概念,并开发了全球首个单箱式 11 千瓦系统。

Lumen Freedom 现已获得 WiTricity 全面技术许可。

Lumen Freedom 采用多种方法进行物理测试。

他们将一个大型铝制框架(称为龙门架)连接至 Regatron 高压供电系统,用于模拟真实的操作和电源需求。“我们需要计算出有多少电能耗散到周围环境中,又有多少电能实际完成耦合。” Pesina 解释。

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在充电板上检测到异物时,会向司机的手机发送警报。(图片所有权:Lumen Freedom)

在无线电动汽车充电过程中,由于系统采用了先进的混合定位技术,对齐车辆与充电板不是难题。Lumen 团队使用计算机控制的步进电机调整高度和水平方向位置,进行对齐测试和分析。

借助仿真技术,团队在系统软件中纳入安全协议,一旦充电板传感器检测到极端偏差,整个充电系统就会自动关闭。

WEVC 系统集成了异物检测系统,能够检测出地面充电板上仅有回形针大小的金属物体。然后,它会通过 App 向司机发出障碍物警报。系统将关闭,直到异物被清除。

基于模型的设计加快开发速度

Wilson 明确指出,自动化安全控制是所有系统的标准配置,Lumen Freedom 的产品只是其中之一。不过,基于模型的设计无疑加速了控制系统的开发过程。

Pesina 表示,整个系统的核心软件模型和主要逻辑,包括地面组件和车辆方面的组件,都是用MATLAB? 和 Simulink? 设计的。

具体来说,在开发电动汽车通信控制器、用以管理车辆与地面组件之间通信方面,MATLAB 和 Simulink 发挥了重要作用。该控制器向车辆充电板和车辆内部电池管理系统发送重要消息。Pesina 解释说,这种通信必须从硬连线控制器转移到基于 Wi-Fi 的控制器。

“相比编写 C 代码,(使用 MATLAB 和 Simulink 对系统建模)可以说是快了一个量级。当然,仿真和测试也简单了许多。”—— Radek Pesina, Lumen Freedom 软件团队负责人

Lumen 的开发人员能够将主状态机快速移入模型。“大约三到四天,初始模型就完成了。”Pesina 表示,“它功能齐全,执行的操作与状态机在 C 代码中执行的操作相同。”

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电动汽车通信控制器管理的生物体通知。(图片所有权:Lumen Freedom)

新一轮的需求变更意味着对整个状态机重新建模。开发人员只用了一天就完成了这项任务。“相比编写 C 代码,可以说是快了一个量级。” Pesina 补充道,“当然,仿真和测试也简单了许多。”

使用综合了通信模型、电力电子系统和状态机的模型,可以更容易、更安全地仿真系统的整个运行过程。开发人员可以在他们的工作台上运行无线充电系统的整个周期,而不需要进行电力传输。这样就解放了龙门架和其他设备,可以使用高压电流另行开展受控测试。

供电变革

Lumen Freedom 团队预计,WEVC 系统在 OEM 和基础设施提供商中的普及将带来彻底的变革。

由此带来的好处之一是电动汽车的电池将变得更小。

“随着无线充电技术和设施日益普及,我们认为,电池尺寸也将缩小,因为人们不再需要随车携带那么多电能。” Wilson 这样说道。

“我们的系统已经就绪,只要出现需求,就能转向‘车辆到家庭 (V2H)’和‘车辆到电网 (V2G)’场景。” —— Rod Wilson,Lumen Freedom 总经理

无线充电也有助于我们进一步迈向“车辆到家庭 (V2H)”和“车辆到电网 (V2G)”场景。Wilson 预计,电动汽车有望为房屋供电,也可能成为向电网回售电力的管道。用户只需将电池储量设置为所需的保留水平,然后在车内或者房间轻点按钮,就能进行电能传输。

充满电的车辆可以为照明系统、电视和小家电供电。对于大功率家用电器,系统将改回电网供电。

“测试和概念验证已经全部完成,实际上,在许多采用插电式系统的国家和地区,这套系统已经得到应用。” Wilson 表示,“我们的系统已经就绪,只要出现需求,就能轻松转型。”

Pesina 预计,这一系统有助于稳定电网,并能为能源公司提供额外的能源供应,用于部署到容易发生停电的地区。

“车辆到电网”可以促进可再生能源的应用。Pesina 举例,即使断电,特斯拉 Powerwall 也能为一户人家供电。类似地,当本地电网停电时,电动汽车可以为家用光伏系统充电。

WEVC 系统本身也在发展。“如果将充电板埋设在室外的柏油路面下,即使路面被雪或冰雹覆盖,充电板也能继续向车辆传输电能。” Wilson 这样说道。

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Lumen 系统可以为静止或等待红绿灯的车辆充电,只要车道配备了系统,甚至还能为行驶的车辆充电。(图片所有权:Lumen Freedom)

Lumen Freedom 正在为英国的零排放出租车和小型商用车开发半动态充电。

半动态充电无需停车和驶入充电位。该系统能为揽客队列中行驶的出租车充电,每当车辆移至等候位,就会进行少量充电。

全动态充电也即将成为现实。

欧洲一个名为 Fabric 的项目历时数年,分析了电动汽车在典型行驶速度下的动态无线电能传输。该项目选择了法国一处 100 米长的试验场地,于 2018 年完成了该系统的测试。

项目显示可在中期实现动态无线传输,包括城市公交和长途货运线路,当然也包括家用汽车。

在州际高速公路上长途行驶时,动态充电将消除续航里程焦虑,并提供无缝的不间断充电。

随着自动驾驶汽车测试日益火热,无线电动汽车充电正在兴起。

2020 年 8 月,密歇根州宣布计划在安娜堡和底特律之间修建一条 64 公里(40 英里)的自动驾驶汽车专用公路。几家知名车厂已计划参与其中。

根据设想,这条公路将首先面向共享车辆,而后扩展到个人和货运车辆。

据 Wilson 展望,世界各地的城市都将为自动驾驶电动汽车设置这样的区域,以便其行驶途中充电。“无线充电势不可挡。”他表示,“我们期待无线未来、无限精彩。”




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