Η ασύρματη φόρτιση θα μπορούσε να προσφέρει γρήγορη, βολική φόρτιση για μελλοντικά evs. Θα την υιοθετήσει η βιομηχανία του αυτοκινήτου;
Καθώς ολοένα και περισσότερα ηλεκτρικά οχήματα βγαίνουν στο δρόμο, οι υποδομές επαναφόρτισης τίθενται στο προσκήνιο.
Οι ολοένα πιο γρήγοροι σταθμοί φόρτισης DC που χρησιμοποιούν αγώγιμη ηλεκτρική φόρτιση κυριαρχούν στη συζήτηση. Αλλά για ορισμένους στην αυτοκινητοβιομηχανία, η επαγωγική ή «ασύρματη» φόρτιση θα είναι το κλειδί για την ευκολία των καταναλωτών και, κατ’ επέκταση, απαραίτητη για τη μαζική υιοθέτηση ηλεκτρικών οχημάτων με μπαταρία.
Είτε είναι στο σπίτι είτε σε δημόσιο χώρο, είναι εύκολο να δεις την έλξη ενός σταθμού φόρτισης χωρίς βαριά καλώδια και κινδύνους που ενέχουν σε ένα ταξίδι – κάτι που δεν απαιτεί αλληλεπίδραση πέρα από τη στάθμευση πάνω από μια βάση φόρτισης και του οποίου τα λιγότερα κινούμενα μέρη απαιτούν λιγότερη συντήρηση. Ασύρματα συστήματα έως 22 kW είναι ήδη διαθέσιμα από προμηθευτές όπως η WiTricity, η οποία ενίσχυσε την παρουσία της στην αγορά αγοράζοντας τεχνολογία και IP από την Qualcomm το 2019.
Η WiTricity θα προσφέρει ένα aftermarket πακέτο ασύρματης φόρτισης 11 kW – ισοδύναμο με τη φόρτιση AC Επίπεδο 2 – για κατόχους μοντέλων EV που δεν έχουν ακόμη κατονομαστεί, ξεκινώντας με ένα δοκιμαστικό πρόγραμμα στις ΗΠΑ αργότερα φέτος.
«Η ευρεία υιοθέτηση της ασύρματης φόρτισης θα έρθει όταν τα EV εφοδιαστούν από τους κατασκευαστές αυτοκινήτων με τον απαραίτητο δέκτη ασύρματης φόρτισης, είτε ως τυπικό είτε ως προαιρετικό χαρακτηριστικό», πιστεύει ο David Schatz, Αντιπρόεδρος της διαχείρισης προϊόντων της WiTricity.
«Κάθε παγκόσμιος κατασκευαστής αυτοκινήτων έχει ασύρματη φόρτιση στη σειρά προϊόντων του. Οι πιθανοί αγοραστές αυτοκινήτων EV θέλουν ξεκάθαρα την ευκολία της ασύρματης φόρτισης και η WiTricity συνεργάζεται με κατασκευαστές αυτοκινήτων και προμηθευτές Tier 1 για να το κάνει πραγματικότητα».
«Στη Νότια Κορέα, η ασύρματη φόρτιση είναι ήδη διαθέσιμη στο Genesis GV60 και στην Κίνα, ο Όμιλος FAW έχει εισαγάγει ασύρματη φόρτιση στο Hongqi E-HS9 EV του», παρατηρεί. «Παρόμοια με ένα βύσμα 120 V που παρέχεται με σχεδόν κάθε ηλεκτρικό όχημα, η ασύρματη φόρτιση θα γίνει το de facto πρότυπο σε κάθε όχημα».
Δοκιμές στόλου
Είναι ένας τολμηρός ισχυρισμός, αλλά είναι σαφές από τα πρόσφατα ανακοινωθέντα ερευνητικά προγράμματα και τις πραγματικές δοκιμές ότι οι OEM εξερευνούν την τεχνολογία επαγωγικής φόρτισης και πώς θα μπορούσε να υιοθετηθεί καλύτερα ευρύτερα.
Η Volvo Cars πραγματοποιεί μια τριετή δοκιμή στόλου στο Γκέτεμποργκ της Σουηδίας.
Ένας μικρός στόλος EV XC40 Recharge έχει εξοπλιστεί με εξοπλισμό ασύρματης φόρτισης 40 kW από την Momentum Dynamics και λειτουργεί από την εταιρεία ταξί Cabonline για 12 ώρες την ημέρα και για 100.000 χλμ ετησίως. Για τη Volvo, όλα έχουν να κάνουν με τη συλλογή γνώσεων σχετικά με την τεχνολογία και την εμπειρία χρήστη της ασύρματης φόρτισης, για να μην αναφέρουμε τη συλλογή πολύτιμων δεδομένων ανθεκτικότητας EV.
«Ο στόλος των ταξί είναι μια προφανής περίπτωση χρήσης για δημόσια ασύρματη φόρτιση», σχολιάζει ο Robert Eriksson, ο οποίος εργάζεται στην έρευνα και ανάπτυξη ασύρματης φόρτισης ως μέρος της μονάδας πρόωσης οχημάτων της Volvo. «Είναι απλό από την πλευρά του οδηγού και υπάρχουν πολλές θετικές πτυχές σε αυτό. Είναι πιθανώς περισσότερο ένα εμπόδιο για τη ρύθμιση της υποδομής, επειδή υπάρχει κόστος για την [εγκατάσταση] του επίγειου σταθμού και χρειάζεστε χώρο. Η κατανόηση της επιχειρηματικής πλευράς είναι ένα από τα προβλήματα που πρέπει να κατανοηθούν μακροπρόθεσμα».
Ο Eriksson έχει εντυπωσιαστεί από το επίπεδο απόδοσης φόρτισης που έχει βιώσει μέχρι στιγμής στη δοκιμή, αλλά πιστεύει ότι οι συνέπειες της συσκευασίας και της ανθεκτικότητας της εγκατάστασης του πηνίου κάτω από ένα ηλεκτρικό όχημα πρέπει να γίνουν πολύ καλύτερα κατανοητές.
«Χρειάζονται στάδια δοκιμών για να καταλάβετε με τι έχετε να κάνετε, οπότε αυτό κάνουμε εδώ», συνεχίζει. «Τα μέρη πρέπει να είναι σε θέση να αντέχουν τις πέτρες και οτιδήποτε άλλο τους πετάξει κανείς. Αλλά έχουμε ήδη διαπιστώσει ότι το σύστημα δεν είναι ευαίσθητο στο νερό και το χαλίκι, ότι λειτουργεί πολύ καλά με τις περιβαλλοντικές πτυχές από την καθαρή φυσική άποψη. Στο σταθμό μας φόρτισης Lindholmen [R&D], το δοκιμάσαμε με ένα μπλοκ πάγου πάχους 10 εκατοστών, με μόρια νερού να καλύπτουν πλήρως το σημείο φόρτισης, και όλη η ενέργεια πέρασε απευθείας μέσα από αυτό χωρίς εξωτερικές απώλειες. Ήταν αρκετά εκπληκτικό».
«Με οποιαδήποτε μηχανική επαφή, πρέπει να έχετε μεγάλη επίγνωση ζητημάτων όπως η σκόνη ή η υγρασία ως μέρος της διαδικασίας σχεδιασμού. Και η απόδειξη της ανθεκτικότητας εξακολουθεί να είναι ένα μεγάλο μέρος. Αλλά με το ασύρματο, θα έλεγα ότι μπορείτε να ξεχάσετε τουλάχιστον μερικές από τις προκλήσεις που έχουμε [με μια μηχανική σύνδεση]».
Περισσότερη ισχύς
Η Volvo πιστεύει ότι, όπως οι καταναλωτές περιμένουν τακτικές αναβαθμίσεις της ψυχαγωγίας στα οχήματά τους καθώς και στις συσκευές τους, η απρόσκοπτη ασύρματη φόρτιση θα μπορούσε να γίνει ένα χαρακτηριστικό που αναμένεται στα μελλοντικά EV. Για την καλύτερη εμπειρία χρήστη, μια λύση φόρτισης που λειτουργεί παντού, σε όλους τους κατασκευαστές, θα απαιτούσε διακλαδική τυποποίηση που δεν έχει ακόμη υλοποιηθεί πλήρως.
Τουλάχιστον βραχυπρόθεσμα, μικρότερες, ειδικές για τον στόλο αναπτύξεις με λιγότερες μεταβλητές, όπως για τα ταξί ή τις υπηρεσίες κοινής χρήσης αυτοκινήτων, θα είναι ευκολότερος στόχος από μια καθολικά προσβάσιμη υποδομή. Ωστόσο, χωρίς μηχανική σύνδεση, αυτή η ουτοπία μπορεί να είναι πολύ πιο εύκολο να επιτευχθεί μακροπρόθεσμα από ό,τι θα είναι για την αγώγιμη φόρτιση με καλώδιο.
Είναι ένα σημείο που απηχεί ο Dr Hendrik Mainka της Volkswagen, επικεφαλής του έργου και επικεφαλής του Innovation Hub Knoxville στο Τενεσί, ο οποίος σημειώνει τις διαφορές στις συνδέσεις φόρτισης όχι μόνο μεταξύ των εμπορικών σημάτων αλλά και μεταξύ των ηπείρων.
Λέει, «Είναι ήδη μια πρόκληση να επιτευχθεί διαλειτουργικότητα μεταξύ διαφορετικών συστημάτων για συμβατική φόρτιση. Πιθανότατα θα δούμε τις ίδιες προκλήσεις και για την ασύρματη φόρτιση».
Η Volkswagen συνεργάζεται με την ερευνητική ομάδα ασύρματης φόρτισης στο Εθνικό Κέντρο Ερευνών Μεταφορών, μέρος του Εθνικού Εργαστηρίου Oak Ridge (ORNL), «φροντίζοντας να είμαστε έτοιμοι με την τεχνολογία, όταν ο πελάτης είναι έτοιμος», σύμφωνα με τον Mainka. Για το σκοπό αυτό, μια τρέχουσα μελέτη σκοπιμότητας από την ORNL και τη Volkswagen χρησιμοποιεί μια Porsche Taycan για τη διερεύνηση της ασύρματης φόρτισης υψηλής ισχύος στα 120 kW και 270-300 kW ως μια πιο φιλική προς τον χρήστη εναλλακτική λύση στην ενσύρματη γρήγορη φόρτιση DC.
«Στοχεύουμε αυτό το επίπεδο ισχύος επειδή η τεχνολογία των μπαταριών μπορεί να το αντέξει τώρα», λέει ο Andrew Foote, διδάκτωρ στο Πανεπιστήμιο του Tennessee, Knoxville, ο οποίος εργάζεται για τη VW στο έργο R&D. «Μπορείτε να σχεδιάσετε ένα σύστημα που να μπορεί να λειτουργεί σε αυτό το επίπεδο ισχύος, αλλά να εξακολουθεί να είναι απόλυτα συμβατό, ας πούμε, με τις μηχανικές περιορισμούς που υπάρχουν σε ένα επιβατικό όχημα; Πρέπει να διατηρήσετε τα πράγματα αρκετά συμπαγή. Έπειτα, υπάρχουν οι θερμικοί περιορισμοί στο σύστημα: δεν έχετε άπειρη ψύξη στα πηνία, αλλά πρέπει να διατηρείτε τα πάντα κρύα με τρόπο που να είναι συμβατός».
«Υπάρχει επίσης συζήτηση για τα αδέσποτα χωράφια και τη συμμόρφωση με το EMI», συνεχίζει ο Foote. «Υπάρχουν πολλά πρότυπα για τα ασύρματα συστήματα φόρτισης οχημάτων όπως και για άλλους τύπους υποδομών. Δεν μπορείτε να υπερβείτε τα όρια στη θεμελιώδη συχνότητα, η οποία είναι κυρίως η ζώνη των 85 kHz για ασύρματη φόρτιση οχημάτων ή εντός των αρμονικών αυτής της ζώνης – για την ασφάλεια των ανθρώπων γύρω από το σύστημα φόρτισης κατά τη λειτουργία και για την αποφυγή τυχόν παρεμβολών στις επικοινωνίες και άλλα ηλεκτρονικά που λειτουργούν γύρω από το σύστημα. Το να προσπαθούμε να επιτύχουμε όλα αυτά τα πράγματα, ενώ συνεχίζουμε να πιέζουμε τα υψηλά επίπεδα ισχύος, είναι αυτό που προσπαθούμε να επιτύχουμε».
Σχεδιασμός πηνίου
Για να ανταποκριθεί σε αυτές τις απαιτήσεις, η ομάδα στο Knoxville επανασχεδιάζει τα πηνία και στις δύο πλευρές της ασύρματης μεταφοράς ενέργειας για να διατηρηθούν τα όρια του αδέσποτου πεδίου. Τα μαγνητικά και τα καλώδια πρέπει να επαναπροσδιοριστούν για να μεταφέρουν το πρόσθετο ρεύμα. Οι πυκνωτές (δεξαμενή συντονισμού) πρέπει επίσης να αναβαθμιστούν για να χειρίζονται την ίδια ποσότητα άεργου ισχύος με τα πηνία.
Για τη μελέτη σκοπιμότητας, τα ψυκτικά συγκροτήματα φροντίζουν για πρόσθετες απαιτήσεις ψύξης, αλλά για οποιαδήποτε μελλοντική εφαρμογή παραγωγής, τα ενσωματωμένα εξαρτήματα θα πρέπει να ψύχονται μέσω επανασχεδιασμού του υπάρχοντος συστήματος ψύξης του οχήματος.
Ο Mainka σχολιάζει, “Αυτή είναι μια σχετικά εύκολη ερώτηση μηχανικής, που μπορεί να επιλυθεί”.
Η ομάδα ORNL/Volkswagen δεν δίνει πληροφορίες για την πρόοδο μέχρι στιγμής και την αποδοτικότητα μεταφοράς, με τον Foote να λέει μόνο ότι: «Δοκιμάζουμε τώρα και πηγαίνουμε προσεκτικά σε υψηλότερα επίπεδα ισχύος κάθε μέρα».
Οι επιταχυνόμενες δοκιμές διάρκειας ζωής σε ένα όχημα θα αποτελούσαν μέρος μιας μελλοντικής φάσης, εάν το έργο προχωρήσει πέρα από μια μελέτη σκοπιμότητας, μαζί με μια πλήρη διερεύνηση σημαντικά μεγαλύτερων κενών αέρα από αυτό του Taycan χαμηλού κυλίνδρου, και πάλι με προσοχή στη διαλειτουργικότητα.
Η Volkswagen δεν είναι η μόνη που επιδιώκει μια φιλοσοφία ασύρματης υψηλής ισχύος. Συστήματα που θα μπορούσαν να προσφέρουν 50-450 kW αναπτύσσονται από τη WiTricity για τη φόρτιση επαγγελματικών οχημάτων, όπως φορτηγών παράδοσης και λεωφορείων μεταφοράς.
Εάν οι διαφορετικοί παίκτες της αυτοκινητοβιομηχανίας και άλλοι ενδιαφερόμενοι μπορούν να συναντηθούν στην τεχνολογία ασύρματης φόρτισης, τότε θα μπορούσαν να διακυβεύονται μεγαλύτερα βραβεία από την ευκολία των καταναλωτών.
Η WiTricity μιλά ήδη για την ιδέα του «power snacking», σύμφωνα με την οποία τα ηλεκτρικά οχήματα φορτίζουν ελάχιστα και συχνά – μια προσέγγιση που έγινε δυνατή από μια μέση ημερήσια απόσταση οδήγησης στις ΗΠΑ μικρότερη από 80 χιλιόμετρα. Στη Volvo, η Eriksson εντοπίζει ένα άλλο πιθανό όφελος από αυτήν την προσέγγιση.
«Εάν διαθέτετε ένα πολύ διαδεδομένο σύστημα σταθμών φόρτισης, ίσως θα μπορούσατε να έχετε μικρότερες μπαταρίες», θεωρεί ο Eriksson. «Είναι μια μακροπρόθεσμη προοπτική, αλλά μπορεί επίσης να είναι μια πτυχή [για την ασύρματη φόρτιση] προς την κατεύθυνση της βιωσιμότητας. Δεν το γνωρίζουμε ακόμα, γι’ αυτό θέλουμε περισσότερα δεδομένα».
Τα παγκόσμια πρότυπα είναι κλειδί για την πρόοδο
Σύμφωνα με την WiTricity, έχουν δημοσιευτεί παγκόσμια πρότυπα για την ασύρματη φόρτιση και αποτελούν τη βάση για τα συστήματα που φέρνουν στην αγορά οι κατασκευαστές αυτοκινήτων.
«Δουλέψαμε με τις SAE, ISO, IEC και China GB για να αναπτύξουμε πρότυπα για ασύρματη φόρτιση που είναι πολύ καλά εναρμονισμένα σε παγκόσμια βάση», λέει ο David Schatz. «Αυτά τα πρότυπα καθιστούν δυνατή τη φόρτιση οποιουδήποτε ηλεκτρικού οχήματος με μια κοινή και τυποποιημένη βάση γείωσης ασύρματης φόρτισης. Μια σημαντική πρόσφατη πρόοδος ήταν η δημοσίευση του προτύπου ISO 15118-20, το οποίο επιτρέπει τη λειτουργία hands-free «παρκάρετε και φορτίστε» σε δημόσιους σταθμούς φόρτισης».
Ωστόσο, τόσο η Volvo όσο και η Volkswagen πιστεύουν ότι η εικόνα είναι ακόμα ασαφής για τα αναδυόμενα συστήματα ασύρματης φόρτισης υψηλής ισχύος, ακόμη και αν είναι δυνατή η επαναχρησιμοποίηση στοιχείων των καθιερωμένων προτύπων χαμηλής κατανάλωσης. Θεωρείται ότι οι εμπορικές συνεργασίες, οι συναρπαστικές περιπτώσεις χρήσης και οι επιτυχημένες επιδείξεις θα μπορούσαν όλα να βοηθήσουν στην προώθηση της τυποποίησης στο μέλλον.
