日本環線巴士試運行的啟示 - 電動汽車普及的關鍵

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【日經BP社報導】在日本長野市，由政府委託民間運營的「Gururin號」環線巴士已開始在長野車站、善光寺及縣政府所在的市中心地區等迴圈行駛。其中的一輛巴士是由早稻田大學等開發的既能連接電源充電又能無線充電的電動巴士。這條線路比較短，一週8km，需要40分鐘左右，每天4趟。

純電動汽車（EV）普及的關鍵在於蓄電池的進步。目前蓄電池面臨的課題是降低成本，以及提高輸出密度以延長續航距離，而EV普及的另一個關鍵是充電技術。其中，「無線充電」備受關注。

無線充電也叫非接觸充電，是指不通過金屬觸點、連接器及電線等來傳輸電力的技術。現已應用於無線電話及電動牙刷等，應用於EV的動向也活躍起來。


通過減少蓄電池降低車輛成本

早稻田大學的研究小組正在利用長野站周邊的環線巴士路線，對「短距離行駛高頻率充電型」電動巴士的實用性進行評估（圖1）。


圖1：電動巴士的無線充電站（左）
        供電裝置埋在路面上灰色部分裏，停車時要使安裝在車底的受電裝置對準供電裝置，然後充電。            
      
對於車重較重的大型巴士，要想實現電動化就必須要有大容量蓄電池，而這很容易使其成本高於乘用車，還會犧牲乘坐空間。

但如果限定在短距離行駛的話，則可以通過增加充電次數來減少蓄電池配備數量。「短距離行駛高頻率充電」就是想要通過無線充電來減輕頻繁的充電工作。

擔任實證試驗組長的早稻田大學理工學術院環境能源研究科紙屋雄史教授說：「我們的目的是通過每天在實際巴士線路上的行駛來多角度評估電動化帶來的影響，比如環境負荷的降低、駕駛員的工作負荷、運行計劃的制定方法以及乘坐舒適性等」。

途經市中心主要設施和觀光景點等的環線巴士路線作為市民和遊客輕鬆出行的工具在地方城市很常見，並且大多由地方政府運營。長野市認為不會排放廢氣和CO2的電動巴士很適合作為市區的公共交通工具，為了將來引進電動巴士，因此同意在此開展實證試驗。


比插電式「輕鬆得多」

試驗車配備了蓄電容量為35kWh的鋰（Li）離子蓄電池。跑完一趟8km消耗的電量不到蓄電容量的4成。配備的蓄電池的容量是純電動乘用車的1.5~2倍，但乘坐空間與改造成EV前的參數相同，仍為31人。

從長野站前出發最後再返回這裡的電動巴士會駛向設置在附近的無線充電器。路面上埋有90cm見方左右的供電裝置，停車時要使安裝在巴士車底的受電裝置對準供電裝置。駕駛員坐在駕駛席操作面板就能開始充電（圖2），15分鐘左右即可充滿。其間，駕駛員無需走出巴士。

Gururin號的6名駕駛員全是女性，由他們為汽車充電。在沒有無線充電設備的夜間停車場，也會使用普通的插電方式充電。當被問及充電操作時，女駕駛員誠懇地評價了無線的便利性，「與將連有又粗又重的電纜的充電介面插入、拔出相比，無線要輕鬆得多。因為在車裏就可以操作，所以即使遇到雨雪天負擔也很小」。


圖2：安在駕駛席上部的無線充電操作面板
        只需在車內面板上操作便可完成充電


電磁感應方式存在傳輸距離問題

不需要插座的無線充電技術有「電磁感應方式」、「磁共振方式」和「微波方式」三種方式。

其中，最容易進行大功率傳輸的是電磁感應方式，其次是磁共振方式，再次是微波方式。相反，傳輸距離最遠的是微波方式，其次是磁共振方式，再次是電磁感應方式。

從技術成熟度來看，電磁感應方式已進入實用階段，而磁共振方式處於實證階段，微波方式處於基礎研發階段。

電磁感應是貫穿線圈的磁場發生變化時、產生電動勢的物理現象。擺放兩個線圈，對其中一個線圈（一次線圈）通電（交流電），就會產生磁場，受該磁場影響，另一個線圈（二次線圈）中就會產生電流。電磁感應現象是1831年英國科學家法拉第發現的，也是發電機及變壓器等很多電氣設備的工作原理。

雖然電磁感應方式已在電動牙刷等的充電中採用，但不能直接應用於電動巴士。原因是電磁感應方式存在線圈間的距離增大後難以實現充電。如何實現由鋪設在路面上的供電部分（一次線圈）向電動巴士車底安裝的受電部分（二次線圈）高效供電是目前面臨的課題。


通過增加送電距離使供電裝置能夠埋入路面

早稻田大學的研究小組最初拿到了一台德國生產的無線充電裝置評估了其實用性，結果發現送電距離只有5cm，因此做出了不能直接應用於電動巴士的判斷。當時，在義大利杜林等地開展的實證試驗是採用機械方式使受電部分從巴士上下降、靠近供電部分從而實現充電的。但這樣不僅使巴士的機構變得複雜，還不能充分減輕充電工作。

於是，早稻田大學的研究小組自己開始加大送電距離的開發。通過模對產生的磁場進行模擬及電磁場分析，對線圈纏繞方式等進行了優化（圖3）。2005年成功將傳輸距離延長到10cm，2010年成功延長到14cm。


圖3：通過電磁場分析模擬發生磁場，從而找到線圈纏繞方式等充電裝置與受電裝置的最佳設計            
      
日本《交通法》規定，設置在公路上的物件不能影響交通。送電距離為10cm的話，需要在路上設置箱式充電裝置來充電，而送電距離達到14cm，就可以完全埋入路面裏了。長野市使用的供電裝置能從路面直接向巴士車底的受電部分供應35kW的大功率電力，充電效率在90％以上。輸出功率完全適用於為電動巴士充電，因此效率達到了與插電式相當的水準。


供電裝置與受電裝置必須對準，這一點比較麻煩

但是，電磁感應方式的操作性方面還存在問題。如果供電裝置與受電裝置的中心軸不對準，效率就會大幅下滑。充電時，巴士要停到使兩者幾乎完全重疊的位置。駕駛技術高超的巴士駕駛員們要一個月才能熟練掌握。普通駕駛員在日常生活中很難熟練操作。

作為解決該問題的技術備受關注的是磁共振方式。這是2006年美國麻省理工學院（MIT）已宣佈達到實用化的新技術，是一種利用電磁共振現象傳輸電力的方式。由於是利用相同頻率產生共振的傳輸原理，不受錯位影響，送電距離也比電磁感應方式遠。這雖是眾所週知的物理現象，但目前還幾乎沒有應用於電力傳輸的實例，技術發佈時展示的隔著2米遠點亮燈泡的實驗令科學家們非常震驚。

三種無線充電方式中的最後一種是微波方式，是要將通信和廣播電視使用的電波應用於電力傳輸的方式。正在被作為實現太空光伏發電構想（在宇宙空間設置太陽能面板為地面充電）的送電技術推進研究，但有很多課題需要解決，比如，在廣闊空間傳輸高能量微波對人體的影響等。雖然也在開展設想用於EV充電的極近距離充電試驗，但充電效率還很低，距離實用化還有很長的路。


MIT的研究小組成立的風險企業與豐田等合作

現在日本國內外都在積極推進無線充電的開發和普及。

在美國，從事手機通信技術開發的高通也積極致力於EV用無線充電。該公司從2012年開始在倫敦使用50輛EV開展無線充電實證試驗。使用的無線充電設備為電磁感應方式，允許供電與受電裝置之間40cm的偏移。

在被視作解決錯位問題「絕招」的磁共振方式方面，已對技術進行了實證的MIT的研究小組成立了從事無線充電開發的公司WiTricity，正與美國知名汽車零件廠商Delphi等合作開發。日本的豐田及IHI等也在與該公司合作開發磁共振方式無線充電技術。

雖然磁共振方式存在無法進行大功率傳輸的課題，但WiTricity已成功實現了在20cm的距離內傳輸3kW左右的電力。有人認為，隨著大功率傳輸等技術進步，還有可能實現為行駛中的EV充電。

無線充電技術的進步有可能彌補蓄電池技術的局限，有可能大大改變人們對EV的評價。（特約撰稿人：中西 清隆，日經BP清潔技術研究所）

http://big5.nikkeibp.com.cn/news/auto/65486-20130403.html?ref=ML&start=3

無線充電技術損耗功率是幾多 ?

孤寂如雲

效率最高可以達到97%，一般的有50.2%，當然也有更低的。