摘要：Lumen Freedom 公司采用基于模型的設(shè)計(jì)，加快了無(wú)線電動(dòng)汽車的充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，消除了電動(dòng)汽車的續(xù)航里程焦慮，并推動(dòng)了綠色技術(shù)的發(fā)展。

邁凱倫 Speedtail Hyper-GT 是這家英國(guó)汽車制造商有史以來(lái)速度最快的公路用車。這款氣電混合動(dòng)力跑車的流線型外觀極富新銳動(dòng)感，在測(cè)試后期，其原型機(jī)在 NASA 位于佛羅里達(dá)州的 Johnny Bohmer 試驗(yàn)場(chǎng)上跑出了 403 公里（250 英里）的時(shí)速。2020 款的參數(shù)顯示，這款跑車可以在 13 秒內(nèi)從靜止加速至?xí)r速 300 公里（186 英里）。邁凱倫與 Lumen Freedom 合作，將后者的無(wú)線電動(dòng)汽車充電 （WEVC） 系統(tǒng)納入設(shè)計(jì)，讓這款三座空氣動(dòng)力汽車在待機(jī)過(guò)程中隨時(shí)為輕型電池充電。Speedtail 是全球第一款采用該系統(tǒng)的汽車。

“未來(lái)將有多種充電方式可供選擇。目前我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)充電，正向半動(dòng)態(tài)充電邁進(jìn)。最終目標(biāo)是全動(dòng)態(tài)充電，支持車輛在超過(guò) 100 公里的時(shí)速下充電。”—— Rod Wilson，Lumen Freedom 總經(jīng)理

據(jù) Lumen Freedom 總經(jīng)理 Rod Wilson 和軟件團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人 Radek Pesina 介紹，盡管感應(yīng)式無(wú)線充電在手機(jī)、智能手表和其他小型設(shè)備上的應(yīng)用越來(lái)越普遍，但在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，Lumen Freedom 為 Speedtail 提供的無(wú)線充電系統(tǒng)仍不失為一項(xiàng)新穎獨(dú)到的解決方案。

無(wú)線充電為電動(dòng)汽車用戶帶來(lái)便利，對(duì)殘障人士來(lái)說(shuō)更是如此。此外，無(wú)線充電系統(tǒng)減少了城市地區(qū)視覺上的雜亂感，也比現(xiàn)有的插電式充電站占用更少的空間。今后，無(wú)線系統(tǒng)能夠?yàn)榈却t綠燈和行駛在高速公路上的車輛充電，讓續(xù)航里程焦慮成為過(guò)去式。

“未來(lái)將有多種充電方式可供選擇。”Wilson 表示，“目前我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)充電，正向半動(dòng)態(tài)充電邁進(jìn)。最終目標(biāo)是全動(dòng)態(tài)充電，支持車輛在超過(guò) 100 公里的時(shí)速下充電。”對(duì)于 Lumen Freedom 來(lái)說(shuō)，Speedtail 項(xiàng)目只是開始。他們的系統(tǒng)具備投產(chǎn)能力，或?qū)槠囋O(shè)計(jì)、交通運(yùn)輸乃至電網(wǎng)帶來(lái)巨大轉(zhuǎn)變。

充電性能接受實(shí)測(cè)考驗(yàn)

WEVC 系統(tǒng)使用諧振感應(yīng)磁耦合代替了電線、插頭和笨重的充電站。電源產(chǎn)生電流，電流從車輛下方地面上的發(fā)射板經(jīng)由氣隙傳入車輛內(nèi)置的接收板。電力傳輸效率可達(dá) 92% 甚至更高。地面組件和車輛組件之間能夠無(wú)線通信。司機(jī)可以通過(guò) 10 英寸車載觸摸屏或智能設(shè)備上的應(yīng)用來(lái)監(jiān)控充電系統(tǒng)。該系統(tǒng)支持高底盤，因此能兼容包括高性能跑車、家用轎車和 SUV 在內(nèi)的所有車型。

Lumen Freedom 自 2016 年成立以來(lái)，完善了 WEVC 概念，并開發(fā)了全球首個(gè)單箱式 11 千瓦系統(tǒng)。Lumen Freedom 現(xiàn)已獲得 WiTricity 全面技術(shù)許可。Lumen Freedom 采用多種方法進(jìn)行物理測(cè)試。他們將一個(gè)大型鋁制框架（稱為龍門架）連接至 Regatron 高壓供電系統(tǒng)，用于模擬真實(shí)的操作和電源需求。“我們需要計(jì)算出有多少電能耗散到周圍環(huán)境中，又有多少電能實(shí)際完成耦合。”Pesina 解釋。

在無(wú)線電動(dòng)汽車充電過(guò)程中，由于系統(tǒng)采用了先進(jìn)的混合定位技術(shù)，對(duì)齊車輛與充電板不是難題。Lumen 團(tuán)隊(duì)使用計(jì)算機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)調(diào)整高度和水平方向位置，進(jìn)行對(duì)齊測(cè)試和分析。借助仿真技術(shù)，團(tuán)隊(duì)在系統(tǒng)軟件中納入安全協(xié)議，一旦充電板傳感器檢測(cè)到極端偏差，整個(gè)充電系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。WEVC 系統(tǒng)集成了異物檢測(cè)系統(tǒng)，能夠檢測(cè)出地面充電板上僅有回形針大小的金屬物體。然后，它會(huì)通過(guò) App 向司機(jī)發(fā)出障礙物警報(bào)。系統(tǒng)將關(guān)閉，直到異物被清除。

基于模型的設(shè)計(jì)加快開發(fā)速度

Wilson 明確指出，自動(dòng)化安全控制是所有系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置，Lumen Freedom 的產(chǎn)品只是其中之一。不過(guò)，基于模型的設(shè)計(jì)無(wú)疑加速了控制系統(tǒng)的開發(fā)過(guò)程。Pesina 表示，整個(gè)系統(tǒng)的核心軟件模型和主要邏輯，包括地面組件和車輛方面的組件，都是用 MATLAB 和 Simulink 設(shè)計(jì)的。具體來(lái)說(shuō)，在開發(fā)電動(dòng)汽車通信控制器、用以管理車輛與地面組件之間通信方面，MATLAB 和 Simulink 發(fā)揮了重要作用。該控制器向車輛充電板和車輛內(nèi)部電池管理系統(tǒng)發(fā)送重要消息。Pesina 解釋說(shuō)，這種通信必須從硬連線控制器轉(zhuǎn)移到基于 Wi-Fi 的控制器。

“相比編寫 C 代碼，（使用 MATLAB 和 Simulink 對(duì)系統(tǒng)建模）可以說(shuō)是快了一個(gè)量級(jí)。當(dāng)然，仿真和測(cè)試也簡(jiǎn)單了許多。”—— Radek Pesina， Lumen Freedom 軟件團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人

Lumen 的開發(fā)人員能夠?qū)⒅鳡顟B(tài)機(jī)快速移入模型。“大約三到四天，初始模型就完成了。”Pesina 表示，“它功能齊全，執(zhí)行的操作與狀態(tài)機(jī)在 C 代碼中執(zhí)行的操作相同。”

新一輪的需求變更意味著對(duì)整個(gè)狀態(tài)機(jī)重新建模。開發(fā)人員只用了一天就完成了這項(xiàng)任務(wù)。“相比編寫 C 代碼，可以說(shuō)是快了一個(gè)量級(jí)。”Pesina 補(bǔ)充道，“當(dāng)然，仿真和測(cè)試也簡(jiǎn)單了許多。”使用綜合了通信模型、電力電子系統(tǒng)和狀態(tài)機(jī)的模型，可以更容易、更安全地仿真系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程。開發(fā)人員可以在他們的工作臺(tái)上運(yùn)行無(wú)線充電系統(tǒng)的整個(gè)周期，而不需要進(jìn)行電力傳輸。這樣就解放了龍門架和其他設(shè)備，可以使用高壓電流另行開展受控測(cè)試。

供電變革

Lumen Freedom 團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)，WEVC 系統(tǒng)在 OEM 和基礎(chǔ)設(shè)施提供商中的普及將帶來(lái)徹底的變革。由此帶來(lái)的好處之一是電動(dòng)汽車的電池將變得更小。“隨著無(wú)線充電技術(shù)和設(shè)施日益普及，我們認(rèn)為，電池尺寸也將縮小，因?yàn)槿藗儾辉傩枰S車攜帶那么多電能。”Wilson 這樣說(shuō)道。

“我們的系統(tǒng)已經(jīng)就緒，只要出現(xiàn)需求，就能轉(zhuǎn)向‘車輛到家庭 （V2H）’和‘車輛到電網(wǎng) （V2G）’場(chǎng)景。”—— Rod Wilson，Lumen Freedom 總經(jīng)理

無(wú)線充電也有助于我們進(jìn)一步邁向“車輛到家庭 （V2H）”和“車輛到電網(wǎng) （V2G）”場(chǎng)景。Wilson 預(yù)計(jì)，電動(dòng)汽車有望為房屋供電，也可能成為向電網(wǎng)回售電力的管道。用戶只需將電池儲(chǔ)量設(shè)置為所需的保留水平，然后在車內(nèi)或者房間輕點(diǎn)按鈕，就能進(jìn)行電能傳輸。

充滿電的車輛可以為照明系統(tǒng)、電視和小家電供電。對(duì)于大功率家用電器，系統(tǒng)將改回電網(wǎng)供電。“測(cè)試和概念驗(yàn)證已經(jīng)全部完成，實(shí)際上，在許多采用插電式系統(tǒng)的國(guó)家和地區(qū)，這套系統(tǒng)已經(jīng)得到應(yīng)用。”Wilson 表示，“我們的系統(tǒng)已經(jīng)就緒，只要出現(xiàn)需求，就能輕松轉(zhuǎn)型。”Pesina 預(yù)計(jì)，這一系統(tǒng)有助于穩(wěn)定電網(wǎng)，并能為能源公司提供額外的能源供應(yīng)，用于部署到容易發(fā)生停電的地區(qū)。“車輛到電網(wǎng)”可以促進(jìn)可再生能源的應(yīng)用。Pesina 舉例，即使斷電，特斯拉 Powerwall 也能為一戶人家供電。類似地，當(dāng)本地電網(wǎng)停電時(shí)，電動(dòng)汽車可以為家用光伏系統(tǒng)充電。WEVC 系統(tǒng)本身也在發(fā)展。“如果將充電板埋設(shè)在室外的柏油路面下，即使路面被雪或冰雹覆蓋，充電板也能繼續(xù)向車輛傳輸電能。”Wilson 這樣說(shuō)道。

Lumen Freedom 正在為英國(guó)的零排放出租車和小型商用車開發(fā)半動(dòng)態(tài)充電。半動(dòng)態(tài)充電無(wú)需停車和駛?cè)氤潆娢弧Ｔ撓到y(tǒng)能為攬客隊(duì)列中行駛的出租車充電，每當(dāng)車輛移至等候位，就會(huì)進(jìn)行少量充電。全動(dòng)態(tài)充電也即將成為現(xiàn)實(shí)。歐洲一個(gè)名為 Fabric 的項(xiàng)目歷時(shí)數(shù)年，分析了電動(dòng)汽車在典型行駛速度下的動(dòng)態(tài)無(wú)線電能傳輸。

該項(xiàng)目選擇了法國(guó)一處 100 米長(zhǎng)的試驗(yàn)場(chǎng)地，于 2018 年完成了該系統(tǒng)的測(cè)試。項(xiàng)目顯示可在中期實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)線傳輸，包括城市公交和長(zhǎng)途貨運(yùn)線路，當(dāng)然也包括家用汽車。在州際高速公路上長(zhǎng)途行駛時(shí)，動(dòng)態(tài)充電將消除續(xù)航里程焦慮，并提供無(wú)縫的不間斷充電。隨著自動(dòng)駕駛汽車測(cè)試日益火熱，無(wú)線電動(dòng)汽車充電正在興起。2020 年 8 月，密歇根州宣布計(jì)劃在安娜堡和底特律之間修建一條 64 公里（40 英里）的自動(dòng)駕駛汽車專用公路。幾家知名車廠已計(jì)劃參與其中。根據(jù)設(shè)想，這條公路將首先面向共享車輛，而后擴(kuò)展到個(gè)人和貨運(yùn)車輛。據(jù) Wilson 展望，世界各地的城市都將為自動(dòng)駕駛電動(dòng)汽車設(shè)置這樣的區(qū)域，以便其行駛途中充電。

“無(wú)線充電勢(shì)不可擋。”他表示，“我們期待無(wú)線未來(lái)、無(wú)限精彩。”

原文標(biāo)題：不插電：電動(dòng)汽車充電新方式

文章出處：【微信公眾號(hào)：MATLAB】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

MATLAB