Uwolnić "elektryka" od kabla. Bezprzewodowe ładowanie samochodów
Od kiedy pojawiły się pomysły na bezprzewodowe ładowanie, a potem światło dzienne ujrzały prototypowe rozwiązania, koncepcji tej towarzyszą wątpliwości - czy będzie wystarczająco wydajna, szybka i czy nie spowoduje zbyt wielkich strat energii elektrycznej?
Według danych pochodzących od producentów bezprzewodowych systemów poziom strat podczas ładowania indukcyjnego wynosi maksymalnie 10%, podczas gdy w ładowaniu przewodowym jest to 5%. Różnica więc nie wydaje się zasadnicza.
Ładowanie indukcyjne wymaga jednak do utrzymania sprawności bardzo dużej bliskości cewek "dawcy" i "biorcy". Problem ten rozwiązuje opracowany kilka lat temu alternatywny sposób, oparty na rezonansie elektromagnetycznym. W tym systemie układ rezonansowy montowany jest w pojeździe. Ładowanie EV następuje po zsynchronizowaniu rezonansu elektromagnetycznego nadajnika i odbiornika.
Metoda ta jest o tyle lepsza, że podczas ładowania nie trzeba precyzyjnie ustawiać elementów układu. Dużym plusem staje się również efektywniejszy transfer energii. Możliwy jest przesył mocy 3,3 kW na odległość 20 cm, przy stratach wynoszących 10%. Komponenty takiego systemu są lżejsze i dużo mniejsze od elementów potrzebnych do rozwiązań indukcyjnych.
Technikę tę rozwija od kilkunastu już lat firma WiTricity z Bostonu. W ubiegłej dekadzie Marin Soljačić (1), profesor fizyki na MIT, eksperymentował z kilkoma sposobami przenoszenia energii, w tym częstotliwością radiową, ultradźwiękami, a nawet z indukcją, zanim uznał, że rezonans magnetyczny oferuje najlepsze połączenie wydajności i wygody. Złożył wniosek o patent w 2006 r., który ostatecznie otrzymał w 2010 r., a w międzyczasie, w 2007 r., założył WiTricity. Początkowo firma pracowała nad rozwiązaniami ładowania elektroniki użytkowej, w tym smartfonów. Obecnie skupia się niemal wyłącznie na opracowaniu praktycznego systemu zasilania samochodów, nawiązując współpracę z BMW. Wi- Tricity działa też wspólnie z Toyotą, która testowała maty ładujące w hybrydach Prius, a także z Hondą, Hyundaiem, Nissanem i GM. Jednak dopiero BMW 530e iPerformance jest pierwszym autem z takim systemem, które trafiło na rynek.
W Berlinie testy - w Oslo ostry start w 2023 r.
Rozwiązanie wykorzystujące rezonans magnetyczny nie jest idealne. Duża przestrzeń pomiędzy matą ładującą w podłożu a odbiorczą w pojeździe stwarza pewne problemy, które - gdy się nad nimi zastanowić - wcale nie są błahe. W obszarze tym indukowane są prądy we wszystkim, co się tam znajdzie, nawet w metalach lub żywych tkankach. Następstwa mogą być trudne do przewidzenia. Da się temu oczywiście zaradzić przez powiększanie maty w aucie, co rozciąga pole magnetyczne i zmniejsza natężenie prądów, jednak konstruktorzy zwykle starają się zaoszczędzić miejsce i masę. Innym pomysłem byłoby instalowanie czujników ruchu, wyłączające ładowanie, gdy np. pod auto wśliźnie się dziecko. Jednak to oznacza, że akumulator w efekcie się nie naładuje.
Eksperci doszli więc do wniosku, że rozwiązaniem problemu jest uczynienie stacji bezprzewodowego ładowania powszechnym wyposażeniem publicznych miejsc parkingowych, także tych przy jezdniach.
Testy bezprzewodowych ładowarek firmy Qualcomm zostały niedawno przeprowadzone w Berlinie (2). W publicznych miejscach parkingowych zainstalowano szereg stacji ładujących. W eksperymencie wykorzystano wspomniane wyżej elektryczne modele BMW, w których instalowano moduły bezprzewodowego ładowania - kosztem 3 tys. euro każdy. Inicjatorzy projektu zapewniają, że stacje ładowania pozostaną na swoich miejscach po jego zakończeniu a jeśli efekty okażą się zachęcające, doinstaluje się kolejne maty ładujące, także na bocznych pasach dróg.
Oczywiście, gdy podobne systemy się rozpowszechnią, trudno sobie wyobrazić, aby mieszkańcy miast korzystali tylko z jednego modelu samochodu. WiTricity i Qualcomm współpracują więc z organizacją inżynierów motoryzacji SAE (Society of Automotive Engineers) nad globalnymi standardami, które pozwolą autom różnych producentów bezproblemowo korzystać z jednego systemu, a także umożliwią pobieranie opłat za ich ładowanie.
Rozważane są nawet dalej idące rozwiązania, w których auta pozostają nie tylko "biorcami' energii, ale również "dawcami" - gdy np. pozostają przez dłuższy czas w spoczynku. Akumulator w samochodzie nie musi się przecież rozładowywać bezproduktywnie - może zasilać sieć miejską. Układ rezonansowy WiTricity działa w obie strony.
Berlin testuje, a Oslo będzie miało wkrótce system ładowania bezprzewodowego na serio. Pod koniec marca tego roku agencja Reuters podała, że stolica Norwegii stanie się pierwszym na świecie obszarem metropolitalnym, który zainstaluje bezprzewodowe, indukcyjne stacje ładowania taksówek elektrycznych - wszystko po to, by już do 2023 r. stworzyć system transportu miejskiego z zerową emisją.
Norwegia, która może się pochwalić największą liczbą "elektryków" na świecie, ma plan, aby wszystkie nowe samochody sprzedawane w kraju były w pełni elektryczne do roku 2025.
Projekt w Oslo będzie wykorzystywać technikę indukcyjną. Płyty ładujące znajdą się w nawierzchni, na której zaparkowana jest taksówka, a w aucie zainstalowany będzie odbiornik. System ten pozwala na przesył do 75 kw mocy. Projekt umożliwi stworzenie pierwszej na świecie działającej, miejskiej, bezprzewodowej infrastruktury do szybkiego ładowania taksówek elektrycznych. W założeniu ma także pomóc w dalszym rozwoju technologii bezprzewodowego ładowania dla wszystkich kierowców pojazdów elektrycznych.
Autonomia plus bezprzewodowość
Firm zaangażowanych w rozwój techniki ładowania bezprzewodowego nie jest zbyt wiele, ale są to zwykle duże i znane marki. Opracowywany przez Qualcomm system ładowania jest od 2012 r. wykorzystywany w elektrycznych wyścigach Formuły E. We Francji firma zbudowała stumetrowy testowy tor ładujący, na którym dowiedziono, że możliwe jest ładowanie aut elektrycznych z podłoża nawet przy prędkości 100 km/godz.
BMW planuje sprzedawać bezprzewodowe moduły ładujące dla wspomnianej hybrydowej jednostki 530e iPerformance. Pełne naładowanie tego samochodu zajmuje 3,5 godziny. Wystarczy matę umieszczoną w garażu podłączyć do domowego gniazdka elektrycznego, a potem pozostaje tylko parkować auto w garażu - samo się ładuje.
Nissan pracuje nad techniką bezprzewodowego ładowania dla najpopularniejszego modelu elektrycznego na świecie - Nissana LEAF.
Mercedes Benz oferuje od 2018 r. opcjonalnie bezprzewodowe ładowanie w niektórych modelach.
Koreańczycy z firm Hyundai i Kia zademonstrowali z kolei niedawno nowy bezprzewodowy system ładowania pojazdów elektrycznych, zintegrowany z autonomicznym parkowaniem, co nazwano Automated Valet Parking System (AVPS).
W komunikacie prasowym Hyundai wyjaśnia, jak działaów system:
"Po ustawieniu polecenia ładowania przy użyciu smartfonu, pojazd automatycznie dociera do niezajętej, bezprzewodowej stacji ładowania. Gdy jest już w pełni naładowany, zostaje automatycznie przeniesiony na inne miejsce parkingowe, umożliwiając uzupełnianie energii kolejnym pojazdom (3). Kiedy kierowca wezwie auto, udaje się ono samoczynnie we wskazane miejsce."
Hyundai i Kia rozważają komercjalizację tego pomysłu ok. roku 2025.
Wszystko to wydaje się dość oczywistym kierunkiem rozwoju zarówno technik bezprzewodowego ładowania, jak i autonomicznych pojazdów. Bo przecież trudno sobie wyobrazić komunikację przyszłości, w której wszystko lub nieomal wszystko dzieje się bez kierowcy, podczas gdy wtyczkę trzeba ciągle wkładać do gniazdka samemu.
