Wireless Power könnte den Transport auf Autobahnen revolutionieren

Wireless Power könnte den Transport auf Autobahnen revolutionieren
Wireless Power könnte den Transport auf Autobahnen revolutionieren
Anonim

Ein Forschungsteam der Stanford University hat ein hocheffizientes Ladesystem entwickelt, das Magnetfelder verwendet, um große elektrische Ströme drahtlos zwischen Metallspulen zu übertragen, die mehrere Fuß voneinander entfernt sind. Das langfristige Ziel der Forschung ist die Entwicklung einer vollelektrischen Autobahn, die Autos und Lastwagen drahtlos auflädt, während sie die Straße hinunterfahren.

"Unsere Vision ist, dass Sie auf jede Autobahn fahren und Ihr Auto aufladen können", sagte Shanhui Fan, außerordentlicher Professor für Elektrotechnik. „Ein groß angelegter Einsatz würde die Umgest altung des gesamten Autobahnsystems beinh alten und könnte sogar Anwendungen jenseits des Transportwesens haben."

Driving Range

Ein kabelloses Ladesystem würde einen großen Nachteil von Plug-in-Elektroautos beheben - ihre begrenzte Reichweite. Der vollelektrische Nissan Leaf zum Beispiel kommt mit einer einzigen Ladung weniger als 100 Meilen weit, und die Batterie braucht mehrere Stunden, um vollständig aufgeladen zu werden.

Ein Charge-as-you-drive-System würde diese Einschränkungen überwinden. „Was dieses Konzept spannend macht, ist, dass man möglicherweise unbegrenzt lange fahren kann, ohne nachladen zu müssen“, sagte Richard Sassoon, Co-Autor der APL-Studie, Geschäftsführer des Stanford Global Climate and Energy Project (GCEP), das das finanzierte Forschung. "Am Ende Ihrer Fahrt könnte tatsächlich mehr Energie in Ihrer Batterie gespeichert sein als zu Beginn."

Die drahtlose Energieübertragung basiert auf einer Technologie namens Magnetresonanzkopplung. Zwei Kupferspulen sind so abgestimmt, dass sie mit der gleichen natürlichen Frequenz schwingen – wie zwei Weingläser, die vibrieren, wenn eine bestimmte Note gesungen wird.Die Spulen werden ein paar Meter voneinander entfernt platziert. Eine Spule ist mit elektrischem Strom verbunden, der ein Magnetfeld erzeugt, das die zweite Spule zum Schwingen bringt. Diese Magnetresonanz führt zu einer unsichtbaren Übertragung elektrischer Energie durch die Luft von der ersten Spule zur Empfangsspule.

"Drahtlose Energieübertragung findet nur statt, wenn die beiden Resonatoren aufeinander abgestimmt sind", stellte Fan fest. "Objekte, die auf andere Frequenzen eingestellt sind, werden nicht beeinflusst."

Im Jahr 2007 nutzten Forscher des Massachusetts Institute of Technology Magnetresonanz, um eine 60-Watt-Glühbirne zum Leuchten zu bringen. Das Experiment zeigte, dass Strom zwischen zwei stationären Spulen in einem Abstand von etwa zwei Metern übertragen werden kann, selbst wenn Menschen und andere Hindernisse dazwischen platziert werden.

"Im MIT-Experiment schien das Magnetfeld keine Auswirkungen auf Menschen zu haben, die zwischen den Spulen standen", sagte Fan. "Das ist in Bezug auf die Sicherheit sehr wichtig."

Kabelloses Laden

Die MIT-Forscher haben ein Spin-off-Unternehmen gegründet, das ein stationäres Ladesystem entwickelt, das in der Lage ist, etwa 3 Kilowatt elektrische Energie drahtlos auf ein Fahrzeug zu übertragen, das in einer Garage oder auf der Straße geparkt ist.

Fan und seine Kollegen fragten sich, ob das MIT-System modifiziert werden könnte, um 10 Kilowatt elektrische Leistung über eine Entfernung von 6,5 Fuß zu übertragen – genug, um ein Auto aufzuladen, das sich mit Autobahngeschwindigkeit bewegt. Die Autobatterie würde beim Beschleunigen oder Bergauffahren einen zusätzlichen Schub geben.

So würde das System funktionieren: Eine Reihe von Spulen, die mit elektrischem Strom verbunden sind, würden in die Autobahn eingebettet. Empfangsspulen, die an der Unterseite des Autos angebracht sind, würden mitschwingen, wenn das Fahrzeug vorbeifährt, und Magnetfelder erzeugen, die kontinuierlich Elektrizität übertragen, um die Batterie aufzuladen.

Um den effizientesten Weg zur Übertragung von 10 Kilowatt Leistung auf ein echtes Auto zu ermitteln, erstellte das Stanford-Team Computermodelle von Systemen mit Metallplatten, die dem grundlegenden Spulendesign hinzugefügt wurden.

"Asph alt auf der Straße hätte wahrscheinlich wenig Wirkung, aber metallische Elemente in der Karosserie des Autos können elektromagnetische Felder drastisch stören", erklärte Fan. „Deshalb haben wir die APL-Studie durchgeführt – um das optimale Übertragungsschema herauszufinden, wenn große Metallobjekte vorhanden sind.“

Mit mathematischen Simulationen fanden die Postdoktoranden Xiaofang Yu und Sunil Sandhu die Antwort: Eine in einem 90-Grad-Winkel gebogene und an einer Metallplatte befestigte Spule kann 10 Kilowatt elektrische Energie auf eine identische Spule in 6,5 Fuß Entfernung übertragen.

"Das ist schnell genug, um eine konstante Geschwindigkeit zu h alten", sagte Fan. "Um die Autobatterie tatsächlich aufzuladen, wären Anordnungen von Spulen erforderlich, die in die Straße eingebettet sind. Dieses drahtlose Übertragungsschema hat einen Wirkungsgrad von 97 Prozent."

Drahtlose Zukunft

Fan und seine Kollegen reichten kürzlich eine Patentanmeldung für ihr drahtloses System ein. Der nächste Schritt ist, es im Labor zu testen und schließlich unter realen Fahrbedingungen auszuprobieren."Sie können diese Computersimulationen sehr zuverlässig verwenden, um vorherzusagen, wie sich ein echtes Gerät verh alten würde", sagte Fan.

Die Forscher wollen auch sicherstellen, dass das System Fahrer, Passagiere oder Dutzende von Mikrocomputern, die Lenkung, Navigation, Klimaanlage und andere Fahrzeugfunktionen steuern, nicht beeinträchtigt.

"Wir müssen sehr früh feststellen, dass weder Menschen noch Tieren, der Elektronik des Autos oder Kreditkarten im Portemonnaie Schaden zugefügt wird", sagt Sven Beiker, Geschäftsführer des Center for Automotive Research at Stanford (AUTOS). Obwohl eine Energieübertragungseffizienz von 97 Prozent extrem hoch ist, wollen Beiker und seine Kollegen sicher sein, dass die restlichen 3 Prozent als Wärme und nicht als potenziell schädliche Strahlung verloren gehen.

Einige Verkehrsexperten stellen sich ein automatisiertes Autobahnsystem vor, bei dem fahrerlose Elektrofahrzeuge drahtlos durch Solarenergie oder andere erneuerbare Energiequellen aufgeladen werden.Ziel wäre es, Unfälle zu reduzieren, den Verkehrsfluss drastisch zu verbessern und gleichzeitig die Treibhausgasemissionen zu senken.

Beiker, Mitautor der APL-Studie, sagte, dass drahtlose Technologie eines Tages die GPS-Navigation fahrerloser Autos unterstützen könnte. "GPS hat eine Grundgenauigkeit von 30-40 Fuß", sagte er. "Es sagt Ihnen, wo Sie sich auf dem Planeten befinden, aber aus Sicherheitsgründen möchten Sie sicherstellen, dass Ihr Auto in der Mitte der Fahrspur steht." In dem vorgeschlagenen System könnten die Magnetfelder auch zur Steuerung der Lenkung verwendet werden, erklärte er. Da sich die Spulen in der Mitte der Spur befinden, könnten sie ohne zusätzliche Kosten eine sehr genaue Positionierung ermöglichen.

Die Forscher haben auch Gespräche mit Michael Lepech, einem Assistenzprofessor für Bau- und Umweltingenieurwesen, aufgenommen, um die optimale Anordnung von Straßenbettsendern zu untersuchen und festzustellen, ob Bewehrungsstäbe und andere Metalle im Belag die Effizienz verringern.

"Wir haben die Möglichkeit zu überdenken, wie elektrische Energie an unsere Autos, Häuser und Arbeitsplätze geliefert wird", sagte Fan."Wir sind daran gewöhnt, über die Stromversorgung in Form von Kabeln und dem Einstecken von Dingen in die Wand nachzudenken. Stellen Sie sich vor, dass Sie anstelle von Kabeln und Steckern Strom durch ein Vakuum übertragen könnten. Unsere Arbeit ist ein Schritt in diese Richtung."

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