摘要：Lumen Freedom 公司采用基于模型的設計，加快了無線電動汽車的充電系統設計，消除了電動汽車的續航里程焦慮，并推動了綠色技術的發展。

邁凱倫 Speedtail Hyper-GT 是這家英國汽車制造商有史以來速度最快的公路用車。這款氣電混合動力跑車的流線型外觀極富新銳動感，在測試后期，其原型機在 NASA 位于佛羅里達州的 Johnny Bohmer 試驗場上跑出了 403 公里（250 英里）的時速。2020 款的參數顯示，這款跑車可以在 13 秒內從靜止加速至時速 300 公里（186 英里）。邁凱倫與 Lumen Freedom 合作，將后者的無線電動汽車充電 （WEVC） 系統納入設計，讓這款三座空氣動力汽車在待機過程中隨時為輕型電池充電。Speedtail 是全球第一款采用該系統的汽車。

“未來將有多種充電方式可供選擇。目前我們已經實現了靜態充電，正向半動態充電邁進。最終目標是全動態充電，支持車輛在超過 100 公里的時速下充電。”—— Rod Wilson，Lumen Freedom 總經理

據 Lumen Freedom 總經理 Rod Wilson 和軟件團隊負責人 Radek Pesina 介紹，盡管感應式無線充電在手機、智能手表和其他小型設備上的應用越來越普遍，但在電動汽車領域，Lumen Freedom 為 Speedtail 提供的無線充電系統仍不失為一項新穎獨到的解決方案。

無線充電為電動汽車用戶帶來便利，對殘障人士來說更是如此。此外，無線充電系統減少了城市地區視覺上的雜亂感，也比現有的插電式充電站占用更少的空間。今后，無線系統能夠為等待紅綠燈和行駛在高速公路上的車輛充電，讓續航里程焦慮成為過去式。

“未來將有多種充電方式可供選擇。”Wilson 表示，“目前我們已經實現了靜態充電，正向半動態充電邁進。最終目標是全動態充電，支持車輛在超過 100 公里的時速下充電。”對于 Lumen Freedom 來說，Speedtail 項目只是開始。他們的系統具備投產能力，或將為汽車設計、交通運輸乃至電網帶來巨大轉變。

充電性能接受實測考驗

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

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

在無線電動汽車充電過程中，由于系統采用了先進的混合定位技術，對齊車輛與充電板不是難題。Lumen 團隊使用計算機控制的步進電機調整高度和水平方向位置，進行對齊測試和分析。借助仿真技術，團隊在系統軟件中納入安全協議，一旦充電板傳感器檢測到極端偏差，整個充電系統就會自動關閉。WEVC 系統集成了異物檢測系統，能夠檢測出地面充電板上僅有回形針大小的金屬物體。然后，它會通過 App 向司機發出障礙物警報。系統將關閉，直到異物被清除。

基于模型的設計加快開發速度

Wilson 明確指出，自動化安全控制是所有系統的標準配置，Lumen Freedom 的產品只是其中之一。不過，基于模型的設計無疑加速了控制系統的開發過程。Pesina 表示，整個系統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 設計的。具體來說，在開發電動汽車通信控制器、用以管理車輛與地面組件之間通信方面，MATLAB 和 Simulink 發揮了重要作用。該控制器向車輛充電板和車輛內部電池管理系統發送重要消息。Pesina 解釋說，這種通信必須從硬連線控制器轉移到基于 Wi-Fi 的控制器。

“相比編寫 C 代碼，（使用 MATLAB 和 Simulink 對系統建模）可以說是快了一個量級。當然，仿真和測試也簡單了許多。”—— Radek Pesina， Lumen Freedom 軟件團隊負責人

Lumen 的開發人員能夠將主狀態機快速移入模型。“大約三到四天，初始模型就完成了。”Pesina 表示，“它功能齊全，執行的操作與狀態機在 C 代碼中執行的操作相同。”

新一輪的需求變更意味著對整個狀態機重新建模。開發人員只用了一天就完成了這項任務。“相比編寫 C 代碼，可以說是快了一個量級。”Pesina 補充道，“當然，仿真和測試也簡單了許多。”使用綜合了通信模型、電力電子系統和狀態機的模型，可以更容易、更安全地仿真系統的整個運行過程。開發人員可以在他們的工作臺上運行無線充電系統的整個周期，而不需要進行電力傳輸。這樣就解放了龍門架和其他設備，可以使用高壓電流另行開展受控測試。

供電變革

Lumen Freedom 團隊預計，WEVC 系統在 OEM 和基礎設施提供商中的普及將帶來徹底的變革。由此帶來的好處之一是電動汽車的電池將變得更小。“隨著無線充電技術和設施日益普及，我們認為，電池尺寸也將縮小，因為人們不再需要隨車攜帶那么多電能。”Wilson 這樣說道。

“我們的系統已經就緒，只要出現需求，就能轉向‘車輛到家庭 （V2H）’和‘車輛到電網 （V2G）’場景。”—— Rod Wilson，Lumen Freedom 總經理

無線充電也有助于我們進一步邁向“車輛到家庭 （V2H）”和“車輛到電網 （V2G）”場景。Wilson 預計，電動汽車有望為房屋供電，也可能成為向電網回售電力的管道。用戶只需將電池儲量設置為所需的保留水平，然后在車內或者房間輕點按鈕，就能進行電能傳輸。

充滿電的車輛可以為照明系統、電視和小家電供電。對于大功率家用電器，系統將改回電網供電。“測試和概念驗證已經全部完成，實際上，在許多采用插電式系統的國家和地區，這套系統已經得到應用。”Wilson 表示，“我們的系統已經就緒，只要出現需求，就能輕松轉型。”Pesina 預計，這一系統有助于穩定電網，并能為能源公司提供額外的能源供應，用于部署到容易發生停電的地區。“車輛到電網”可以促進可再生能源的應用。Pesina 舉例，即使斷電，特斯拉 Powerwall 也能為一戶人家供電。類似地，當本地電網停電時，電動汽車可以為家用光伏系統充電。WEVC 系統本身也在發展。“如果將充電板埋設在室外的柏油路面下，即使路面被雪或冰雹覆蓋，充電板也能繼續向車輛傳輸電能。”Wilson 這樣說道。

Lumen Freedom 正在為英國的零排放出租車和小型商用車開發半動態充電。半動態充電無需停車和駛入充電位。該系統能為攬客隊列中行駛的出租車充電，每當車輛移至等候位，就會進行少量充電。全動態充電也即將成為現實。歐洲一個名為 Fabric 的項目歷時數年，分析了電動汽車在典型行駛速度下的動態無線電能傳輸。

該項目選擇了法國一處 100 米長的試驗場地，于 2018 年完成了該系統的測試。項目顯示可在中期實現動態無線傳輸，包括城市公交和長途貨運線路，當然也包括家用汽車。在州際高速公路上長途行駛時，動態充電將消除續航里程焦慮，并提供無縫的不間斷充電。隨著自動駕駛汽車測試日益火熱，無線電動汽車充電正在興起。2020 年 8 月，密歇根州宣布計劃在安娜堡和底特律之間修建一條 64 公里（40 英里）的自動駕駛汽車專用公路。幾家知名車廠已計劃參與其中。根據設想，這條公路將首先面向共享車輛，而后擴展到個人和貨運車輛。據 Wilson 展望，世界各地的城市都將為自動駕駛電動汽車設置這樣的區域，以便其行駛途中充電。

“無線充電勢不可擋。”他表示，“我們期待無線未來、無限精彩。”

原文標題：不插電：電動汽車充電新方式

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