ทีมวิจัยร่วมกันระหว่างจีน-อังกฤษพัฒนาระบบชาร์จไร้สายสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าประสิทธิภาพสูง

ทีมวิจัยร่วมกันจากจีนและอังกฤษได้พัฒนาระบบชาร์จไร้สายระดับ 20 kW ที่ออกแบบมาสำหรับรถยนต์พลังงานใหม่ โดยทำลายอุปสรรคความร้อนและประสิทธิภาพสำคัญในการถ่ายโอนพลังงานแบบ感應 ระบบชาร์จไร้สาย 20 กิโลวัตต์นี้บรรลุประสิทธิภาพสูงถึง 98.51% ซึ่งเป็นครั้งแรก การวิจัยครั้งนี้นำโดยสถาบันวิทยาศาสตร์วัสดุและเทคโนโลยีตงกวาน (Dongguan Institute of Materials Science and Technology) ภายใต้สถาบันวิทยาศาสตร์จีน (CAS) ร่วมกับสถาบันฟิสิกส์สถาบันวิทยาศาสตร์จีน มหาวิทยาลัยนครฮ่องกง (City University of Hong Kong) และมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ (University of Cambridge)

ความท้าทายในการชาร์จของรถยนต์ขับเอง

เมื่อรถยนต์ไฟฟ้าขับเองสามารถขับบนถนนที่ซับซ้อนได้ แต่เมื่อต้องการชาร์จด้วยปลั๊กแบบมือ อิสระของยานพาหนะเหล่านี้ก็จะถูกจำกัด การพึ่งพามนุษย์นี้สร้างความท้าทายสำคัญต่อการขนส่งอัตโนมัติอย่างสมบูรณ์ ดังนั้น เทคโนโลยีชาร์จไร้สายอัตโนมัติที่พัฒนาใหม่จึงมุ่งกำจัดข้อจำกัดนี้ ทำให้ฝูงรถอัตโนมัติสามารถดำเนินการและชาร์จพลังงานได้โดยไม่ต้องมีการแทรกแซงของมนุษย์

แผ่นชาร์จไร้สายทั่วไปส่วนใหญ่ใช้แกนฟีริต์หนักเพื่อนำทางสนามแม่เหล็ก แม้ฟีริต์จะทำงานได้ดีในกำลังต่ำ แต่เมื่อเพิ่มกำลังเพื่อชาร์จรถยนต์ให้เร็วขึ้น วัสดุนี้จะเกิดปัญหาการร้อนเกินไป ประสิทธิภาพลดลง และความหนาแน่นของกำลังถูกจำกัด นักวิจัยแก้ปัญหานี้โดยใช้โลหะผสมนาโนครีสตัลล์ฐานเหล็กที่ผ่านการอานนีลความเครียด (stress annealing) ร่วมกับการออกแบบร่วมระบบวัสดุ ทีมระบุว่า: 「เรารายงานระบบชาร์จแบบ感應ที่ใช้โลหะผสมนาโนครีสตัลล์ฐานเหล็ก ซึ่งพัฒนาร่วมกันผ่านการเพิ่มประสิทธิภาพระดับวัสดุและระดับระบบ」

วิศวกรได้ทำตัวเลือกออกแบบที่น่าประหลาดใจ คือ เลือกค่าความสามารถในการนำแม่เหล็ก (magnetic permeability) ระดับปานกลางแทนค่าสูงสุด เพื่อให้สมดุลกับประสิทธิภาพระบบ กลยุทธ์นี้นำไปสู่การพัฒนาแท่งแกนแม่เหล็กขนาดเล็กขนาด 440 มม. x 330 มม. ความหนาเพียง 4 มม. วัสดุที่ได้มีประสิทธิภาพในการจัดการความหนาแน่นกำลังสูงถึงครึ่งหนึ่งของแผ่นฟีริต์มาตรฐาน

นักวิจัยได้นำกระบวนการอานนีลความเครียดเฉพาะทางไปประยุกต์ใช้ ร่วมกับการปะชั้นการจัดแนวของคอยล์ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้างแกน เทคนิคเหล่านี้ลดการสูญเสียพลังงานของแกนลงเหลือ 135 kW/m³ ภายใต้เงื่อนไขทดสอบที่ 85 kHz และ 0.2 T ตามการศึกษา ระบบนี้ให้ประสิทธิภาพการแปลงกระแสสลับเป็นกระแสสลับ (AC-to-AC) ในคอยล์และแกนที่ 98.51% และความหนาแน่นกำลังตามปริมาตรถึง 9.55 kW/L มันยังคงความมั่นคงทางความร้อนที่น่าเชื่อถือในรอบการทำงานกำลังสูงด้วย การศึกษาระบุว่า: 「การบูรณาการการออกแบบวัสดุและไฟฟ้าได้ส่งเสริมการพัฒนาระบบชาร์จแบบ感應ที่รองรับยานพาหนะอัตโนมัติและการเคลื่อนที่ไฟฟ้า」

ศักยภาพการเชิงพาณิชย์ของเทคโนโลยี

การขับขี่อัตโนมัติต้องการการเติมพลังงานอัตโนมัติ หากไม่มีการชาร์จแบบไร้มือ ฝูงรถแท็กซี่หุ่นยนต์ที่อัตโนมัติเต็มที่ยังคงเป็นเพียงฝันอันงดงาม เทคโนโลยีนี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อแผนห้าปีที่ทะเยอทะยานของจีน (2026-2030) ซึ่งมุ่งเป้าสู่การขับขี่อัตโนมัติเชิงพาณิชย์อย่างกว้างขวางบนทางหลวงหลักและทางด่วนในเมืองใหญ่ภายในปี 2030 รถยนต์เพียงเป็นจุดเริ่มต้น สถาบันวิทยาศาสตร์วัสดุและเทคโนโลยีตงกวานได้นำต้นแบบไปสู่การผลิตเชิงพาณิชย์แล้ว นอกจากรถยนต์ไฟฟ้าส่วนบุคคล เทคโนโลยีนี้ยังมุ่งเป้าไปที่รถนำทางอัตโนมัติอุตสาหกรรม (AGV) ในโรงงาน ขนส่งรางหนัก และแม้แต่เครื่องบินไฟฟ้าระดับต่ำ (low-altitude electric aircraft)

ด้วยความเร็วที่สูงขึ้น โปรไฟล์ที่บางลง และอุณหภูมิการทำงานที่ต่ำลง ทีมร่วมจีน-อังกฤษนี้ได้ปูทางสู่โลกที่เครื่องจักรสามารถชาร์จตัวเองได้อย่างราบรื่นในเบื้องหลัง การวิจัยนี้ตีพิมพ์ล่าสุดในวารสาร Nature Communications