电动汽车的无线供电和未来交通

    电动汽车用的是电，燃油汽车用的是油，从性能上来讲，很容易能理解：对电的控制精度和控制速度要远远优于对油的控制。这是电动汽车的魅力之一，性能优势。

    除此以外，在燃料（电力）补充的方法上，电动汽车和汽油车是不同的。如果汽油车没有油了，就要跑到加油站去，把加油枪插到汽车的加油口上加油。而如果电动汽车没有电了，所以想当然的就是，跑到充电站去，把充电插头插到电动车的充电口上充电。当然，现在还有电池更换的模式，2分钟以内能把电池交换工作完成，比加油还快。只是这属于换汤不换药，换下来的电池还是要拿去连上电线充电。

    但是，请一定要注意：通过线缆连接到电源上充电，只是电动汽车充电的方式之一，并不是{wy}的方式，不要把汽油车的模式想当然地放在电动汽车上。如果要求汽油车和加油柱之间不作任何连接，就可以把油加进汽车（传说中的“隔空取物”），是不是想破脑袋也不可能？但是，电动汽车可以，“电”可以，不需要电缆、接插件，可以进行无线充电，通过无线供电技术来实现。

    无线供电，使得电动汽车可以提供这么一种可能：一辆电动汽车从出厂到它报废为止，终生不用你去理会电力补充问题，而汽油车是做不到的。如果有这种情况发生，还会觉得隔几天就要加一次油的汽油车比电动汽车方便吗？虽然在电池技术上、在充电时间上，现阶段的电动汽车比汽油车有劣势。但是，请一定要相信，电动汽车是一个拥有无限可能的天才小孩，当他长大的{yt}会变得很好很强大。

    无线供电，现在主要有三种方式：电磁感应方式，磁场共振方式，电磁波传送方式。这三种技术实际上现在，都有应用于电动汽车充电的研究。而现阶段搞得最现实的、在电动汽车上有实际应用的，是电磁感应式。下面就从这个开始说，一一的介绍一下。

1，电磁感应式

    电磁感应原理在现在的中学物理就学过，简单地说就是：变化的磁场能产生电场，处于其中的闭合回路能产生感应电流。举个例子，很多人都有用过公交卡，把它在公交车的读卡机上“啪”一下，就可以完成余额显示、扣钱等行为。这是因为里面有一个芯片，记录了余额的数据。但是有没有想过，芯片工作的电源是哪来的？公交卡中并没有电池，而是有一个线圈。把公交卡在读卡机上晃动时，读卡机会产生一个磁场，公交卡的线圈进入这个磁场就会产生感应电流。

    而电磁感应原理在电动汽车充电上的应用就是，先做出一个“供电台”，供电台中埋有一个线圈，向其供电可以产生一个变化的磁场，这个线圈称为一次线圈；而在电动汽车的底盘下装置一个二次线圈，当这个二次线圈进入磁场后，就产生感应电流，从而向电动汽车搭载的电池充电。具体原理见下图（日本人不管是讲科学道理还是政治道理，都喜欢用漫画和小动物）。橙色部分就是线圈，下面的是供电的一次线圈，上面的是车载的二次线圈。

电磁感应式无线充电原理图

    对电动汽车利用电磁感应原理进行无线充电，是有过实车实验的。日本国土交通省（交通部）在2008年2月在羽田机场，2009年10月在奈良市，就针对充电式混合动力巴士组织过两次实际应用实验。见下图，供电线圈是埋入充电台的混凝土中的。车开上充电台后，当车载线圈对准供电线圈后（重合），车内的仪表板上有一个指示灯会亮，司机按一下充电按钮，就开始充电。

最下面的水泥台子就是供电台

供试车辆结构

    这种充电方式的功率能达到150kw(2009年时的成绩)。我在上周看的一篇文章，对日本早稻田大学环境能源研究科一位教授的采访。现在关于电动汽车电力问题的研究方向有三种，一种是致力于提高电池性能，一次充电能跑更多的路；二种是致力于提高电动汽车对电力的利用率，在行驶过程中减少电力浪费；三种是致力于改良充电方法，使充电时间减短。而这位教授从事的是第三项研究。

    这位教授的观点是：在现阶段，电池性能的提高不仅困难，而且最关键的是成本问题，电池价格限制了电动汽车的普及。所以他现在专注于应用于短途或者固定路线的电动汽车，比如电动公交车。通过缩短电动汽车的充电时间，提供一种短时间、高频率的充电方法，使电动汽车尽可能的少搭载电池，降低成本，从而能在近期内初步普及。所以从这个观点来看，针对性最强的就是电动公交车。这位教授的研究方向就是利用电磁感应原理的无线充电方式，现在的成绩是充电7分钟可供一辆巴士行驶30分钟（=充电半小时可供行驶2小时以上），这个数据就非常适合电动公交车使用。虽然这种方式和现在用电源线的快速充电器时间相当，但是省去了插拔电源线的程序以后，除了方便、快捷，还有一个很大的优点是安全：在雨天时没有触电、漏电的危险。

    但是，利用电磁感应原理的无线供电方式有天生的缺点：两个线圈必须对得比较齐，线圈间的距离必须比较近：否则会导致输电效率大幅下降。所以现在更被看好的，是近几年才出现的另一种方式：磁场共振式无线供电。

2，磁场共振式

    关于共振传递能量，很多人都听说过拿破仑的士兵把一座桥振塌了的故事。磁场共振式传电，简单地形容就是：有两个线圈，一个是送电端，一个是受电端；给送电线圈供电，当送电端的振荡磁场频率与受电端的固有频率相同时，就产生了共振，在受电线圈中能产生电流。

    这种方式的原理在比较早以前就为所知，但是实用化是从07年才开始急速进行的。其优点是：两个线圈间的距离可以比较远，现在可以达到在1m的距离内高效率送电（而电磁感应方式大约是10cm）。下图是去年10月份索尼公司发布的一款样机：无电源线的电视机。

利用磁场共振实现无线供电的电视机

    当时索尼只是炫耀其开发的无线供电系统，而暂无产品化的打算。但是可以想象，装备无线供电系统的电视机，在房间内的摆放将是——自由。

    相对于电磁感应式供电，这种利用磁场共振方式的供电技术更被看好于电动汽车的应用——在未来。下面这个图是未来交通方式的一张漫画，在路面中铺有供电系统（地面上的桔色部分），可以在电动汽车行驶中供电。

    这种带有供电系统的道路交通推广以后是什么画面呢？以北京为例，可以试想一下。对于一辆充满电以后，一次可以行驶200-300公里的电动汽车。假如北京的二、三、四、五环加上长安街全部铺装有无线供电功能的电动汽车车道，那么在这些主干道上行驶时，不仅不需要使用车载电池的电力，而且还可以给电池充电。300公里的电池能力，出厂时就己充满，如果只在北京市内跑的话，利用这些无线充电系统，直到把这辆车开报废为止，可能都用不着你亲自动手充电。同理，假如天津的主干道路也铺装有无线供电的设施，那么你的车的无充电使用范围可以扩大到京津两地。再推广开来，全国所有城市的主干道，以及连接各城市间的高速公路都铺装无线供电设施的话，效果可想而知。

    一句话总结就是，车载电池只需要满足电动汽车在支线交通、小道上的使用需要，而在城市内以及城市之间的主干道上，可以利用无线供电施设充电，这样的环境下，电动汽车的充电问题，根本就不是问题。

    不过以上是基于现实科技的科幻情节。磁场共振式供电，目前技术上的难点是，小型、高效率化比较难。现在的技术能力大约是直径半米的线圈，能在1m左右的距离提供60w的电力。而能提供驱动一辆汽车的电能，技术上还有很长的路要走。此外，铺装有供电系统的道路，实际上是要把现在的道路翻新一遍，这是需要钱的。

    话虽如此。回想一下汽车刚被发明出来时的道路条件，再看看现在遍布世界的高速公路网，哪一条路不是用钱铺出来的。

    还有一个问题：电动汽车取代了汽油车以后，大量需要的电力从哪来？下面讲的是第三种供电方式，其中还包括了一条提供电能的方法。

3，电磁波送电

    电磁波可以传递信号，应该大家都很熟悉。让它传递能量也可以。有传递能量的意义的是微波，即频率在300MHz（波长1m）— 300GHz（波长1mm）之间的电磁波，电磁波的频率越高，其能量的集中度越高，传递的方向性越强。

    在去年4月份，日本东京的一家房地产公司联合早稻田大学、昭和飞行机工业公司做过一个实际运行实验。该房地产公司计划为它开发的一个小区提供电动的小区巴士，当时实验车有两台，其中一台就是利用的电磁波送电方式来充电。但是，在当时的实验中，那辆巴士是停下来以后充电。

    能不能做到电动汽车一边行驶，一边利用电磁波供电呢？去年11月份，日本的龙谷大学发布了一项技术成果：移动式无线充电系统，当时就是使用的频率2.45GHz的微波。但是实验并不是用实车进行的，而是用的一个警车模型，通过微波送电，点亮了行驶中的模型警车的警灯。

现在虽小，将来会长大的

    一般来说，利用电磁感应原理的无线供电技术{zj1}现实性，并且现在在电动汽车上有实际应用；而磁场共振方式，则是现在最被看好、被认为是将来最有希望广泛应用于电动汽车的一种方式；而电磁波送电方式，现在则提出了利用这种技术的“太空太阳能发电技术”。这种技术能应用的话，可以从根本上解决电力问题。现在很多人反对电动汽车的理由之一就是，电动汽车是否真的环保，或者说，是否真的存在无污染的电力供应源。

    答案是：当然有，那就是太阳能。不要拿地球上的太阳能来想象。在地球上利用太阳能发电受到很多限制，比如天气、云层、昼夜交替。而在太空中，这些都不是问题，而且在太空中太阳能的转换效率远远高于地面上的利用。{wy}的问题是，如果在太空中建设一个太阳能发电站的话，产生的电力怎么传送回地球。用一根几万公里的电线是不可能的；而电磁波送电技术，则使一切皆有可能。

    在太空中利用太阳能发电，然后把能量用电磁波传送到地球上的接收站，再转化为电能供使用，这个概念是上世纪60年代一个美国航天工程师提出来的，过了大约10年以后，被美国当局接受并且进行研究，结论是：技术上可行，但是成本太高，所以并未真正实行。但是最近又逐渐有把这个项目捡起来的趋势。现在用来发电的技术中，地面太阳能和风力、水力，远远不够满足人类的需要，而煤碳、石油、天燃气这些不可再生资源，总有用完的{yt}；核电站的废料也是一种处理很麻烦的东西。

    所以{ctr}、高效率、无限使用的太空太阳能发电的成本问题就显得不是那么重要了，尤其在一些有钱但是没资源的国家（比如说日本）看来，这种花钱就能买到的能源是{zh0}的（像石油、天燃气，有时候有钱也不一定买得到，还得看对方愿不愿意卖给你）。日本提出的叫做“宇宙太阳光发电”，据说有希望在2030年左右实现。这种方式有可能是针对地球能源问题的一种{zj2}解决方案。

    无线供电技术，为电动汽车描绘了这样一种美好的前景，从电力来源到电力供应，干净，美好，省心省力。当然，可能有的人确实喜欢汽油车，喜欢闻汽油的味道，喜欢听发动机的轰鸣，这没有关系。这称作是一种“野性”，或者说是“激情”。就好像现在汽车虽然普及了，但是仍然有很多人喜欢骑马一样。比如说一百年以后，电动汽车普及了，可能会出现和现在的跑马场一样的“跑车场”，只是那时候在跑车场内的汽油会卖得很贵。

    新能源车，像燃料电池车，电动汽车，现在还有不少人把混合动力车算进去。不客气地说，混合动力车xx就是一种过渡车型；而从某种意义上说，燃料电池车也是个过渡。

    燃料电池车虽然也算是电动汽车，但是不同的是，它还有“燃料”两个字。就好像汽油车需要加油一样，燃料电池车也离不开加氢。所以燃料电池车与汽油车只是能源的不同而己，配套设施上只是加油站与加氢站的区别，并没有从本质上改变整个交通网络的模式。比如说，在任何科幻电影或者小说里面，你经常可以见到汽车在天上飞，驾驶员在睡觉，可曾见过这辆车停在某个“加油站”或者“加氢站”前补充燃料吗？没有的。至少从科幻作家的角度，燃料电池车是不被认可的。无限制地行驶，不用担心什么时候车上的燃料会用完，这种事情只可能发生在电动汽车上。

    电动汽车，在太阳能电池技术、无线供电技术、以及自动驾驶技术的支持下，xx可以颠覆现在的交通概念。（关于自动驾驶，一句话概括就是：在汽油车上实现很难，在电动汽车上实现相对简单。但是讨论起来很长，以后要单独介绍。）

    可以试想一下，N年（比如说100年）以后，你的儿子的儿子的儿子的儿子，在高速公路上，一边听收音机、一边上网、还一边打电话（如果那时候这些事情还有的话），而他的车在自动行驶，而汽车、电脑、手机需要的所有电力都来自从路面下铺装的供电系统、或者来自汽车上的接收装置接收的电磁波。这种事情不是不可能，从现在的技术上来看，实现的可能性异常强烈。

    所以说，知识改变命运，科学改变生活。

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