În curând, pe toate mașinile electrice: încărcarea wireless a bateriei

S-ar putea ca în maximum 5 ani, încărcarea wireless să devină pur și simplu o normalitate pentru mașinile electrice. Care va contribui din plin și la creșterea vânzărilor acestora, odată cu creșterea autonomiei și scăderea prețurilor. Dar cum se realizează, mai exact, încărcarea la distanță a bateriilor?

wireless charging masini electrice incarcare baterii - ecoprofit 0

”Wireless charging”, o sintagmă care încă mai pare neverosimilă, dar care, în curând, va deveni o banalitate. Interesant este că, deși mulți consideră încărcarea la distanță o chestie SF, ea are la bază un principiu foare simplu: inducția electromagnetică, demonstrată de Michael Faraday încă din secolul 19.

wireless charging masini electrice incarcare baterii - ecoprofit 1
Mit sau realitate? Nikola Tesla a realizat un dispozitiv de transmitere la distanță a curentului electric încă de la începutul secolului XX

Tot la sfârșitul secolului 19, cunoscutul inventator Nikola Tesla a depus un patent pentru încărcarea wireless în domeniul căilor ferate.

După care chiar a reușit să transmită curentul la distanțe mari, fără cabluri, însă cercetările pe acest subiect au dispărut (sau sunt ținute secrete de guvernul SUA, dacă luăm varianta teoriei conspirației).

În zilele noastre, încărcarea wireless este generalizată în cazul unor smartphone-uri, a periuțelor de dinți electrice sau a altor aparate electrocasnice. Există firme care propun și dispozitive de încărcare wireless pentru bateriile mașinilor electrice, însă acest domeniu este de-abia la început din punct de vedere business.

În principiu, ”transmiterea curentului la distanță fără cabluri” presupune niște limitări relativ greu de surmontat. Momentan, orice dispozitiv de acest fel funcționează dacă distanța între încărcător și baterie este foarte mică (de maximum câțiva centimetri). Dar și dacă alinierea între dispozitivele de transmitere, respectiv de receptare a curentului este cât mai exactă. În plus, eficiența nu este considerată suficient de bună, în multe cazuri.

Lucrurile, însă, promit să se schimbe. Mult mai rapid decât ați crede.

 

Principiul de bază al inducției electromagnetice

Stați liniștiți, nu vă voi ”stresa” cu formule matematice și explicații complexe ținând de fizică. Lucrurile sunt mult mai simple de atât. În principiu, un câmp magnetic poate produce energie electrică, iar un cablu prin care trece curent electric produce, la rândul său, un câmp magnetic. Deci inducția electromagnetică ajută la transferarea energiei electrice dintr-un loc în altul, fără a utiliza cabluri, ci doar folosind proprietatea naturală de transformare a câmpului electric în câmp magnetic și viceversa.

wireless charging masini electrice incarcare baterii - ecoprofit 3
Inducția electromagnetică: principial, curentul electric din prima bobină creează un câmp magnetic, acesta transformându-se în curent electric în a doua bobină

Aplicând principiul în domeniul auto, înseamnă că e nevoie de două bobine de inducție: una plasată în podeaua garajului sau în asfalt, pe locul de parcare, iar cealaltă plasată sub mașină. Când cele două bobine sunt aliniate, curentul care trece prin prima dă naștere unui câmp magnetic. Acesta, odată intrat în contact cu a doua bobină, creează curent electric în aceasta, curent care este utilizat pentru încărcarea bateriei.

wireless charging masini electrice incarcare baterii - ecoprofit 2
Curentul alimenteaza bobina primara, iar campul magnetic produs de aceasta duce la aparitia curentului electric in bobina secundara, aceasta alimentand astfel bateria masinii

Ok, dacă totul este așa de simplu, de ce nu s-a generalizat până acum acest tip de încărcare wireless?

Principalul motiv ține de eficiența scăzută a procesului și de costurile mari ale sistemelor, față de încărcarea prin utilizarea convențională a cablurilor. Cu cât cele două bobine sunt mai apropiate și mai bine aliniate, cu atât eficiența este mai bună – în teorie, se poate ajunge la transmiterea a până la 90% din energie spre baterie.

În practică, însă, intervin pierderile din cauza distanței mari dintre bobine, dar și din cauza căldurii rezultate din proces. Apoi timpii de încărcare a bateriei sunt mult mai mari, deoarece aceste sisteme utilizează puteri mici (în primul rând pentru a evita degajarea unor cantități prea mari de căldură).

wireless charging masini electrice incarcare baterii - ecoprofit 6
În acest moment, există impresia că încărcarea wireless a mașinilor e prea scumpă și problematică. Nimic mai fals!

Nu în ultimul rând, costurile mari ale primelor sisteme de acest tip țin publicul la distanță. Mai ales că există și destule temeri în industrie privind efectele conexe ale inducției electromagnetice: de la afectarea altor dispozitive electronice din mașini până la afecțiuni directe ale oamenilor (de exemplu, un încărcător cu inducție electromagnetică ar putea distruge un peacemaker).

Și totuși, tehnologia încărcării wireless avansează în ritm alert. Nu au trecut nici 10 ani de când specialistul Visteon a montat în mașini primele încărcătoare wireless pentru smarthone-uri sau MP3-playere. Iar în 2010 compania americană Evatran începea testele de teren, împreună cu cei de la Google, pentru încărcătoare wireless gândite pentru mașini.

Cum stăm cu tehnologia încărcării wireless a mașinilor acum, la aproape 5 ani distanță de la implicarea mai serioasă a companiilor în acest domeniu?

Încărcătoare wireless after-market

Compania Evatran a pus în vânzare în 2014 primul sistem de încărcare wireless pentru mașinile electrice și hibride plug-in. Principial, sistemul PlugLess constă dintr-o placă-receptor care se adaptează sub vehicul, un pad care se montează în podea și o stație de încărcare, care controlează automat încărcarea.

Odată aliniată placa de sub mașină cu pad-ul din podea (lucru care se poate observa pe displayul stației de încărcare), este demarată încărcarea bateriei, la o putere de 3,3 kW – adică aproape la fel ca în cazul cablului de încărcare convențional.

Este adevărat, costul sistemului depășește 1.200-1.500 USD, în funcție de modelul mașinii, la care se mai adaugă costurile instalării dispozitivelor (pe mașină, respectiv în garaj). Însă, dat fiind că momentan publicul care își permite mașini electrice are un nivel al veniturilor peste medie, putem spune că acest ”gadget” este suficient de fezabil economic.

Exemplul celor de la Evatran a fost luat și de alte firme, așa încât acum pe piață există mai multe oferte de astfel de sisteme de încărcare wireless pentru vehiculele electrice.

Încărcarea wireless rapidă

Următorul pas logic urmărit de cei implicați în acest domeniu este de a asigura încărcarea rapidă a bateriilor. Actualmente, încărcarea bateriilor mașinilor electrice de la o sursă normală de 220-240V durează circa 8 ore, în majoritatea cazurilor mașinile fiind încărcate noaptea, acasă. Însă în utilizarea cotidiană este mult mai practic pentru un utilizator de mașină electrică să-și poată încărca bateria cât mai repede când este la cumpărături sau când are de parcurs distanțe mai lungi. Deci încărcătoarele de mare putere sunt foarte importante pentru asigurarea infrastructurii publice de alimentare.

Încărcătoarele wireless de 25 kW vor deveni standard pe mașinile electrice în maximum 5 ani

Compania Momentum Dynamics face acest pas, propunând un sistem wireless capabil să transmită puteri de până la 25 kW. Ceea ce înseamnă că bateria unei mașini electrice obișnuite se poate încărca 100% în circa o oră și jumătate – în condițiile în care, utilizând un sistem convențional de încărcare rapidă, timpul respectiv este între 30 și 60 de minute.

Mai mult, dacă în cazul sistemelor de încărcare wireless actuale distanța optimă între cele două bobine trebuie să fie de circa 10 cm (mergând până la 15 cm, dar cu scăderea drastică a eficienței), cei de la Momentum Dynamics susțin că sistemul lor permite distanțe de lucru de până la 30 cm, fără ca eficiența să scadă dramatic. În plus, au conceput sistemul și pentru a funcționa în situații foarte dificile, chiar și subacvatic – după cum vedem în următorul video:

Faptul că tehnologia încărcării rapide wireless devine rapid fezabilă este susținut și de recentul parteneriat între Hyundai-KIA America și Mojo Mobility (companie specializată în conceperea de sisteme de încărcare wireless pentru device-uri electronice).

Soul EV wireless charging concept
Flotă de KIA Soul EV, pentru testarea soluției Mojo de încărcare rapidă wireless

În cadrul acestui parteneriat, vor fi utilizate mai multe modele Kia Soul EV, dotate cu sisteme de încărcare rapidă wireless, cu o putere de 10 kW. Testele vor încerca să demonstreze că este posibilă obținerea unei eficiențe de peste 90% în condiții reale de utilizare. În același timp, va fi analizată și fiabilitatea acestor sisteme, precum și siguranța în funcționare.

Mai trebuie menționat că acest experiment este sprijinit chiar de către Departamentul de Energie din SUA, care le-a acordat celor două companii un grant în vederea dezvoltării tehnologiei. O tehnologie care ar trebui să devină accesibilă marelui public până la finalul acestui deceniu.

Încărcarea wireless pentru transportul în comun

Cu toate că reflectoarele în domeniul încărcării wireless sunt concentrate pe autoturismele electrice, adevărul este că avantajele majore imediate le-ar aduce aplicarea acestei tehnologii în cazul transportului în comun.

wireless charging masini electrice incarcare baterii - ecoprofit 7
Aggie Bus, autobuz electric pentru studenți. Primul cu încărcare wireless performantă

În 2012, Universitatea de Stat din Utah a realizat un autobuz electric având încărcare wireless, prototip dedicat transportului studenților prin campus. Botezat ”Aggie Bus”, era primul din lume care satisfăcea mai multe cerințe: putere de încărcare de 25 kW, eficiență de 90% și o abatere maximă de 15 cm pentru alinierea celor două bobine.

De atunci, lucrurile au evoluat vertiginos, iar chinezii de la ZTE au lansat în 2014 primul proiect fezabil: o rută pentru autobuze electrice având încărcare wireless, în Xiangyang, Hubei. Trei vehicule realizate de Dongfeng Automobile a fost dotate cu sisteme de încărcare wireless, variind între 3 kW și 30 kW, eficiența fiind de 90%. În anumite stații de pe traseu au fost ”îngropate” în asfalt platformele de încărcare wireless, unde autobuzele puteau fi încărcate rapid, în timp ce pasagerii coborau și urcau.

wireless charging masini electrice incarcare baterii - ecoprofit 8
În China, lucrurile evoluează mai repede și la scară mai largă decât în restul lumii

În prima jumătate a lui 2015, ZTE a realizat astfel de programe-pilot în nu mai puțin de 6 orașe importante din China, până la finalul anului fiind încheiate parteneriate cu autoritățile din încă 21 de localități. Exemplul chinezilor va fi preluat din 2016 și de Londra, care va demara un program similar: în stațiile de la capătul fiecărei linii vor fi montate sisteme de încărcare wireless, care vor încărca rapid bateriile autobuzelor ”double-decker”, în doar 5 minute.

Teste similare, dar, din păcate, fără o transpunere în practică, s-au desfășurat în Italia și Germania încă din 2003. Acum, însă, odată cu evoluția galopantă a tehnologiei de încărcare wireless, lucrurile evoluează într-o direcție neașteptată, deși foarte logică.

De la ”park-to-charge” la ”drive-while-charging” – încărcarea wireless în mers

Faptul că mașinile pot fi încărcate wireless în timp ce sunt parcate este un avantaj minor față de oportunitățile pe care le are încărcarea wireless. Și anume încărcarea bateriilor în timp ce mergi cu mașina. Un lucru care, practic, ar anihila problema ”range anxiety”.

În vara anului 2013, în localitatea sud-coreeană Gumi a fost inaugurată prima rută pentru autobuze cu încărcare wireless în timpul mersului. Glumind, un fel de linie de troleibuze în care firele sunt îngropate în asfalt…

Pe traseul cu o lungime de 12 km au fost integrate subteran cablurile de alimentare cu energie electrică, invertoare și regulatoare, precum și patru sisteme de încărcare dinamică wireless, alături de trei sisteme pentru încărcarea wireless staționară.

Important de menționat este că aceste module de încărcare wireless utilizează tehnologia câmpurilor magnetice în rezonanță, nu cea inductivă clasică. Astfel, se obține o putere mare de încărcare în timpul scurt în care autobuzul trece peste un încărcător wireless dinamic.

wireless charging masini electrice incarcare baterii - ecoprofit 5

Motorul autobuzului este alimentat de la o baterie principală, care, încărcată 100%, îi poate asigura vehiculului o autonomie maximă de circa 58 km. Însă bateria principală este permanent încărcată de la o baterie secundară, concepută special pentru a înmagazina energia primită în timpul mersului, sistemele de încărcare wireless dinamică putând genera până la 180 kW la 60 KHz (o putere foarte mare într-un timp foarte scurt, care ar putea afecta durata de viață a bateriei principale).

wireless charging masini electrice incarcare baterii - ecoprofit 9
Sud-coreenii au deja autobuze care se alimentează în timpul mersului

Astfel, bateriile au dimensiuni mai reduse decât în cazul unui autobuz electric obișnuit, deci și costurile sunt mai mici. Este adevărat, un astfel de autobuz OLEV, cu încărcare wireless în timpul mersului, avea în 2013 un preț 700 milioane de won (circa 600.000 USD), iar punerea la punct a traseului a necesitat fonduri din partea autorităților locale de circa 4 milioane USD. Însă, odată cu generalizarea tehnologiei, companiile implicate în acest test consideră că se va putea ajunge la costuri competitive, care să elimine din ”peisaj” autobuzele cu motoare convenționale.

Autostrăzile cu încărcare wireless?

În domeniul auto, probabil cea mai importantă noutate este reprezentată de recentul parteneriat dintre Qualcomm și Brusa, pentru a dezvolta soluții de încărcare wireless a bateriilor mașinilor electrice.

wireless charging masini electrice incarcare baterii - ecoprofit 10
Viitoarele modele electrice Mercedes-Benz ar putea oferi standard încărcarea wireless a bateriilor

Qualcomm este un nume binecunoscut în domeniul IT, însă compania este implicată foarte serios în domeniul auto: de exemplu, echipează monoposturile din Formula E cu propriile sisteme de alimentare, iar în primăvară a semnat un protocol de colaborare cu Daimler pentru echiparea mașinilor Mercedes-Benz electrice și plug-in hibride cu sisteme de încărcare wireless.

Brusa Elektronik AG, pe de altă parte, este o companie elvețiană specializată în realizarea de componente și subansamble dedicate mașinilor electrice. Iar, recent, a încheiat un parteneriat cu un alt nume cunoscut din domeniul încărcării wireless, WiTricity.

De ce toate aceste mișcări? Deoarece marii constructori auto implicați în domeniul mașinilor electrice și-au arătat intenția de a oferi pe următoarele lor generații de mașini cu propulsie electrică sisteme de încărcare wireless, care ar elimina bătăile de cap actuale ținând de manipularea cablurilor. Și care ar putea contribui din plin la popularizarea mai rapidă a mașinilor electrice.

wireless charging masini electrice incarcare baterii - ecoprofit 11
În curând, pe autostrăzile din Marea Britanie: banda specială pentru încărcarea vehiculelor electrice în mers…

Se pare, însă, că vorbim de ceva mai mult de atât: pregătirea pentru o super-infrastructură rutieră dedicată mașinilor electrice. Chiar la începutul acestei săptămâni, Marea Britanie a anunțat că, până la sfârșitul acestui an, va demara cel mai mare proiect din domeniul mobilității electrice – autostrăzile wireless.

Guvernul britanic a aprobat deja un buget de 500 de milioane de lire sterline, pe o perioadă de 5 ani, pentru cercetarea și implementarea de soluții care să asigure scăderea drastică a poluării cauzate de sectorul transporturilor (care, în 2013, reprezentau 25% din poluarea totală). Iar noul program-pilot va trebui să aducă rezultate concrete după numai 18 luni de teste intensive.

wireless charging masini electrice incarcare baterii - ecoprofit 12
Cam așa arată evoluția vânzărilor de mașini eco în Anglia. Deci e normal ca șoferilor să li se pregătească o infrastructură pe măsură

Practic, specialiștii britanici doresc să demonstreze că ideea încărcării bateriilor în timpul mersului este fezabilă la scară largă. Ca urmare a acestui program-pilot, principalele autostrăzi și șosele din Marea Britanie ar urma să fie dotate cu o vastă rețea de sisteme de încărcare wireless subterane, care să-i scape de grijile autonomiei reduse pe proprietarii de mașini electrice și hibride plug-in.

Pe lângă asta, autostrăzile vor beneficia și de o rețea extinsă de puncte de încărcare, situate la maximum 20 de mile unul de altul și care vor permite încărcarea rapidă a vehiculelor care nu sunt dotate cu sisteme wireless de încărcare. Totul pentru ca marele public să fie cât mai motivat să renunțe la mașinile convenționale în favoarea celor nepoluante, cu propulsie electrică.

CONCLUZIE

Iată, așadar, cum încărcarea wireless a bateriilor are șansa să devină dintr-o idee interesantă un factor decisiv, care să asigure dominația mașinilor electrice. Chiar dacă, la prima vedere, o schimbare atât de radicală a infrastructurii rutiere ar putea presupune costuri exagerate, de fapt vorbim de o investiție într-un viitor mult mai curat și sustenabil.

wireless charging masini electrice incarcare baterii - ecoprofit 13
E greu acum să ne imaginăm cât de utilă va fi încărcarea wireless în mers. Sau poate nu e așa de greu…

În plus, calculele vor arăta că, pe termen lung, e mai rentabil să investești într-o astfel de rețea decât în tehnologii mai scumpe pentru îmbunătățirea performanțelor bateriilor. Practic, încărcarea wireless în mers ar însemna utilizarea unor baterii mai mici și mai ușoare, deci mai ieftine, astfel încât mașinile electrice ar deveni mai accesibile.

Să nu uităm și de sectorul transportului greu, responsabil pentru cea mai mare parte a emisiilor foarte nocive, rezultate din arderea dieselului. Încărcarea wireless ar contribui la înlocuirea foarte rapidă a actualelor motoare diesel cu sistemele de propulsie electrică, mult mai eficiente, mai ales în cazul tirurilor.

wireless charging masini electrice incarcare baterii - ecoprofit 14
Cu un pas mai aproape de mașinile autonome

Nu în ultimul rând, integrarea tehnologiei de încărcare wireless cu noile sisteme de control și comunicare ar putea însemna un pas înainte și pentru domeniul vehiculelor autonome. Posibilitățile sunt, practic, infinite, dar vestea cea bună este că nu trebuie să așteptăm la infinit pentru ele. Deoarece tehnologia deja există și se îmbunătățește galopant.

Așadar, când veți mai auzi sintagma ”wireless charging” cel mai probabil veți face asocierea cu ”game changer”. Pentru că, după un secol, a venit vremea să recunoaștem că Nikola Tesla a avut dreptate. Dar, din păcate, a fost victima epocii petrolului. O epocă a cărei existență se apropie cu pași extrem de repezi de final – dar despre asta vom vorbi cu altă ocazie. Deocamdată, reținem că viitorul mașinii electrice nu depinde așa de mult de baterii, cât de infrastructura de încărcare wireless.

CE CREDEȚI DESPRE ÎNCĂRCAREA WIRELESS?

  • Doc

    Din punct de vedere economic, incarcarea wireless are randamentul cel mai prost, costurile cele mai mari si consumul cel mai mare de energie.

    • Da, pana nu demult asa era, dar aceste probleme se rezolva foarte rapid