Исследователь из Корнелла заявляет, что возможна беспроводная зарядка транспортных средств в движении.

Исследователь из Корнелла заявляет, что возможна беспроводная зарядка транспортных средств в движении.

Представьте, что вы едете на электромобиле по шоссе и у вас заканчивается заряд батареи. Теперь вам надо найти поблизости зарядную станцию или просто сменить полосу движения и проехать по специальным зарядным полосам, встроенным в дорогу. Таково видение Хуррама Африди, доцента кафедры электротехники и вычислительной техники Инженерного колледжа Корнерлского университета. По данным хроники Корнелла, он является пионером инновационного подхода к беспроводной зарядке электромобилей, автономных вилочных погрузчиков и других мобильных машин, пока они остаются в движении.

Нью-Дели: Технология беспроводной зарядки использует силу электрических полей, но повышает напряжение и работает на высоких частотах для достижения больших уровней передачи энергии. Эта технология не только сэкономит время водителям, но и проложит путь к более экологичному транзиту.

«Когда вы говорите: «Хорошо, мы собираемся продвигать электромобили», возникает множество вопросов об инфраструктуре. Как это будет работать? Если бы все автомобили в стране были электрическими, вам бы потребовалось много розеток, чтобы их подключить. У нас нет такой возможности, чтобы зарядить их очень быстро», - сказал Африди.

Хрупкий, дорогой и громоздкий.

Идея беспроводной зарядки движущихся автомобилей была пересмотрена различными группами, начиная с попыток в Калифорнии протестировать электромобили с дорожным приводом в 1980-х годах в рамках программы Partners for Advanced Transit and Highways (PATH), новозеландским исследователям, разрабатывающим технологии подачи энергии для конвейерных систем в 1990-е годы. Однако даже с учетом научных достижений в области энергетики и электронных технологий попытки коммерциализировать этот метод для транспортных средств с проезжей частью дороги оказались трудными и дорогостоящими.

Наиболее популярное предложение по беспроводной зарядке транспортных средств сосредоточено на использовании энергии переменных магнитных полей, поскольку эти поля могут быть созданы с помощью легко доступных электрических токов. Доставляемая мощность увеличивается, если поля меняются быстро, поэтому недавние работы - благодаря усовершенствованной технологии - были сосредоточены на частотах в десятки килогерц по сравнению с несколькими сотнями герц, используемыми программой PATH.

Проблема, однако, остается в том, что магнитные поля громоздки, потому что они образуют полные петли, и их необходимо направлять, чтобы они не попадали в определенные области. Это связано с тем, что сильные переменные магнитные поля могут нанести вред пассажирам в автомобиле или нагреть арматуру на дороге, и поэтому в этих точках необходимо препятствовать возникновению контактов. Материал, направляющий поля, - феррит - хрупкий, громоздкий, дорогой и теряет много энергии при быстром изменении магнитных полей.

В то время как громоздкие и дорогие беспроводные зарядные устройства могут быть приемлемы для стационарной зарядки, развертывание систем на основе магнитного поля в больших масштабах для подзарядки движущихся транспортных средств является непомерно дорогостоящим.

Африди обнаружил уникальное решение этих проблем, заглянув далеко за пределы магнитных полей и килогерц: в космическое пространство.

«Беспроводная передача энергии основана на той же базовой физике, которая используется для отправки сообщений с помощью радиоволн на космические корабли в глубоком космосе, такие как« Вояджер », - сказал Африди. «За исключением того, что сейчас мы посылаем гораздо больше энергии на гораздо более короткие расстояния движущимся транспортным средствам».

Будучи студентом Калифорнийского технологического института, Африди страстно интересовался радиочастотной электроникой, используемой для связи в дальнем космосе. В конце второго года обучения он работал с Лабораторией реактивного движения НАСА над разработкой передатчика на 8 и 32 ГГц спутника SURFSAT 1, который был запущен в 1995 году как предшественник спутника Cassini, направленного на Сатурн, два года спустя.

В аспирантуре Массачусетского технологического института Африди переключился на изучение силовой электроники, которая работает на гораздо более низких частотах с разницей в шесть порядков, но с гораздо более высокими уровнями мощности. Фактически, Африди отказался от своих гигагерц за килогерцы. Но он всегда думал о том, чтобы довести силовую электронику до предельных частот.

«Что действительно движет мной на фундаментальном уровне, - сказал он, - так это два очень разных подхода - высокочастотная электроника и мощная электроника, - которые, по сути, решают проблемы по-разному и объединяют их вместе, чтобы создать совершенно новую область, а также использовать совершенно новые методы приминения».

От глубокого космоса до автомагистралей и складов.

В 2014 году Африди начал исследовать возможности возрождения оригинального трюка Никола Тесла с манипулированием электрическими полями, но с гораздо более высокой частотой и мощностью.

В системе, разработанной командой Африди, две изолированные металлические пластины на земле, подключенные к линии электропередачи через согласующую сеть и высокочастотный инвертор, создают колеблющиеся электрические поля, которые притягивают и отталкивают заряды в паре совпадающих металлических пластин, прикрепленных к днище автомобиля. Это пропускает через цепь в автомобиле высокочастотный ток, который его выпрямляет. Выпрямленный ток заряжает аккумулятор.

Одним из огромных преимуществ электрических полей является то, что они имеют более линейный, направленный характер по сравнению с петлевыми дугами магнитных полей. Следовательно, они не требуют материалов, направляющих поток, таких как феррит, и могут работать на гораздо более высоких частотах. Основная проблема заключается в том, что электрические поля, создаваемые доступными напряжениями, довольно слабы. Команда Африди компенсирует это повышением напряжения и работой системы на очень высоких частотах для достижения больших уровней передачи энергии.

"Если трудно создать систему беспроводной зарядки, так же трудно будет реализовать ее в массовом масштабе. Поначалу беспроводная зарядка может показаться бредом. Но если бы у нас действительно была такая технология, это имело бы смысл." - Хуррам Африди.

«Последние системы магнитного поля, разработанные для зарядки электромобилей, работают на частоте 85 килогерц. Система электрического поля, которую мы разрабатываем в нашей лаборатории, работает на частоте 13,56 мегагерц. Таким образом, он работает почти в 200 раз быстрее, что частично компенсирует дефицит на пять порядков, который необходимо преодолеть», - сказал Африди. «Также оказывается, что вы можете справиться с гораздо более высоким напряжением легче, чем с более высоким током, что помогает еще больше преодолеть разницу в способности передачи мощности».

Безферритовая система обещает быть меньше, легче, дешевле и легче встраивается в проезжую часть. Однако разработать систему непросто.

Технология беспроводной зарядки использует силу электрических полей, но повышает напряжение и работает на высоких частотах для достижения больших уровней передачи энергии.

Чтобы преодолеть ряд технологических препятствий, команда Африди - включая его коллегу Брэндона Регенсбургера, сотрудничала с несколькими сотрудниками в Корнелле. Франсиско Монтиконе, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники, помог команде разработать зарядные пластины на основе искусственных метаматериалов, чтобы лучше фокусировать электрические поля. Дебдип Йена и Хуили Грейс Син, профессора в области электротехники и вычислительной техники, материаловедения и инженерии, также сотрудничают в разработке материалов и устройств с широкой запрещенной зоной, которые могут выдерживать высокое напряжение и работать на высоких частотах.

Самым заметным нововведением команды является выпрямитель с активным переменным реактивным сопротивлением (AVR), который позволяет транспортному средству получать полную мощность при проезде по зарядным пластинам, даже если пары пластин, которые будут размещены примерно через каждые несколько метров на дороге, не полностью выровнен. AVR также помогает передавать мощность более крупным транспортным средствам, у которых увеличен зазор между ходовой частью и землей.

Если сложно создать систему беспроводной зарядки, так же сложно будет реализовать ее в массовом масштабе.
Один из подходов, по мнению Африди, - это сначала электрифицировать дороги с интенсивным движением, особенно для поддержки больших грузовиков дальнего следования. Другой вариант - сосредоточиться на городах, установив зарядные полосы на знаках остановки и светофорах, чтобы водители могли подзарядиться, пока они ждут.

Эту технологию также можно использовать на производственных складах и в центрах выполнения заказов, чтобы автономные роботы могли работать круглосуточно. В настоящее время Африди работает с Toyota Material Handling North America над разработкой системы зарядки в движении для вилочных погрузчиков и мобильных роботов для погрузочно-разгрузочных работ. Он также является частью международного исследовательского центра, финансируемого Национальным научным фондом, который занимается продвижением экологически безопасного электрифицированного транспорта. «Поначалу беспроводная зарядка может показаться сумасшедшей. Но если бы у нас действительно будет такая технология, это прорыв », - сказал Африди.