В потоке энергии

В соревновании на максимальную дальность пробега производители электромобилей наращивают ёмкость и энергетическую плотность аккумуляторов. А поскольку последняя ограничена используемой электрохимией, масса батарей растёт. Знаменитая Tesla Model S имеет на борту 7104 цилиндрических ионолитиевых элемента, которые тянут на 544 килограмма, а это практически четверть веса электромобиля.

Знатоки истории напоминают нам, что свыше ста лет назад были разработаны и выпущены электрические повозки на свинцово-кислотных аккумуляторах, которые на одном заряде проходили пару сотен километров. Однако сравнивать электроприводные кареты, движущиеся ненамного быстрее пешехода, с современными электромобилями, которые всего за несколько секунд могут разгоняться до скорости 100 км/ч, не совсем корректно.

Куда стремимся?

Статистика показывает, что в 95% случаев личные авто за поездку пробегают не более пятидесяти километров, так что не обязательно возить с собой громоздкие аккумуляторы. Большая ёмкость востребована лишь в пяти процентах случаев, а прогресс в развитии электромобилей движим чисто психологическим фактором - боязнью автовладельцев застрять где-нибудь на обочине вдали от зарядной станции.

Второй двигатель прогресса - нежелание людей ждать, пока аккумуляторы зарядятся. Именно по этой причине строятся сверхбыстрые зарядные станции, создающие сильные перегрузки в электрических сетях, и бортовые батареи рассчитываются на неблагоприятные режимы ускоренной зарядки.

Возможно, фактор времени преувеличен. Маркетологи крупных компаний печально известны своим стремлением доводить характеристики изделий до абсурда только ради того, чтобы настаивать на преимуществах перед конкурентами. Это мы видим на примере игровых компьютерных мониторов, где частота смены кадров доходит до 144 Гц и выше, в то время как инерционный человеческий глаз не может уловить изменения, происходящие чаще шестидесяти раз в секунду.

Неординарный подход

Кардинального прорыва в технологиях производства аккумуляторов не ожидается. Исследователи из Корнеллского университета считают, что прорыв и не обязателен - размеры бортовых аккумуляторов вполне можно сократить на величину до 90% благодаря динамической подзарядке электромобилей на ходу. Это позволит не только отказаться от транспортировки «мёртвого» груза, но и снизить хаотические скачки потребления мощности, а с ними и гигантские расходы на новые сети.

Доцент кафедры электронной и компьютерной техники Корнеллского университета Куррам Африди объясняет, что сама по себе система подзарядки электромобиля на ходу выглядит как дорогостоящая роскошь, но она перестаёт казаться таковой с учётом огромных инвестиций, которые сегодня делаются в развитых странах для увеличения удельной мощности аккумуляторов, сокращения времени их зарядки, а также для модернизации электросетевой инфраструктуры ради размещения новых зарядных станций.

Учёные предложили инновационную концепцию беспроводной зарядки авто, в которой катушки индуктивности были заменены на конденсаторы. Проект весьма смелый и амбициозный. Но - кто не рискует, тот не пьёт шампанского?

Шаг за шагом

Применение ёмкостной связи позволяет кардинально упростить приёмники энергии: вместо катушек индуктивности на днище электромобиля будут закреплены обычные металлические пластины. Внутри дорожного полотна тоже разместятся пластины, а не катушки с хрупкими ферритовыми сердечниками, которые нужно тщательно оберегать от поломки.

Весьма важная задача - увеличить эффективность энергопередачи. «В 2014 году, когда я начал заниматься этим вопросом, мировым рекордом для ёмкостной беспроводной передачи энергии было 5 Вт при зазоре 1 мм, то есть технология работала в пределах чехла сотового телефона, - рассказывает Африди. - В первой нашей научной публикации, вышедшей в 2015 году, сообщается о разработке ёмкостной системы, которая передаёт мощность 130 Вт через зазор в 5 мм. Мощность выросла в 26 раз, а расстояние - впятеро, однако для выбранной нами области применения это достижение было ничтожным».

Команда исследователей предложила новые идеи, обещая создать технологию, пригодную для применения в электромобилях. Под эти идеи было получено финансирование на год с задачей продемонстрировать передачу киловаттной мощности через дорожный просвет в 12 см. «Ни в одном другом проекте мне не приходилось сталкиваться с такими сложными задачами, как в этом. Первые шесть месяцев мы не могли даже одного ватта передать на расстояние в двенадцать сантиметров», - рассказывает Африди. Чтобы понять, куда утекает энергия, металлические электроды подвесили в воздухе в центре лаборатории подальше от всех предметов.

Оказалось, что энергия распространялась не по вертикали, а по горизонтали. После того как Африди предложил очень изящное решение проблемы, передаваемая мощность дошла до киловатта. Позже учёные смогли довести её до 3,5 кВт, получив плотность энергетического потока 50 кВт/м².

Текущий проект нацелен на утроение потока (его нужно увеличить до 150 кВт/м²) при 95-процентной эффективности. По отношению к системам беспроводной подзарядки смартфонов это как день и ночь.

Фазовое управление

Суть технологии - резонансное согласование канала передачи энергии от дорожного полотна до автомобиля на переменном токе, а основная идея - управление энергетическим лучом при движении электромобиля по дорожному полотну по принципу фазированной антенной решётки.

В классическом конденсаторе с двумя параллельными прямоугольными пластинами линии электрического поля по краям изгибаются, выходя за пределы межэлектродного пространства. Здесь же ради безопасности такое явление подавлено.

Учёные рассчитывают на новые транзисторы на нитриде галлия, пригодные для тонкого управления фазой колебаний. Они также надеются на солнечную энергетику, чтобы обеспечить максимальную зарядную мощность днём, когда автомагистрали наиболее загружены.