為EV無線充電（二）：進(jìn)入實用階段的電磁感應(yīng)方式

進(jìn)入實用階段的電磁感應(yīng)方式

在上述三大方式中，采用本公司的電磁感應(yīng)方式的無線供電系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入實證階段。預(yù)定2011年秋季以后導(dǎo)入到實際的公交線路上使用。就這一意義而言，可以認(rèn)為目前能立即實用化的無線供電方式還只有電磁感應(yīng)方式。

下面將詳細(xì)介紹電磁感應(yīng)方式。電磁感應(yīng)方式基本可以認(rèn)為是變壓器的一種（圖4）。也就是說，類似于當(dāng)內(nèi)核與內(nèi)核間的縫隙為零時，以50Hz的頻率輸入后會輸出50Hz頻率的變壓器。

                 圖4：與變壓器相同

非接觸充電類似于縫隙較大的變壓器。

如果是理想的變壓器，由于縫隙非常小，磁力線不會泄漏，因此耦合系數(shù)（k）基本為1。但用于無線供電時需要一定的縫隙，所以會泄漏磁力線。因此，k會小于1。

一次線圈和二次線圈正相對的靜止式電路原則上在任何情況下都會設(shè)置逆變器，從逆變器經(jīng)由一次線圈在二次線圈接收電力，然后連接至負(fù)荷（RL）（圖5）。當(dāng)然，也可轉(zhuǎn)換為直流，但需要整流。

                圖5：需要利用電容器進(jìn)行共振

靜止式電磁感應(yīng)方式為提高傳輸效率需要利用電容器進(jìn)行共振。

不過，僅靠線圈效率無法提高。使傳輸效率最大化的最佳負(fù)荷（ZL）用ZL＝RL－jωL來表示。由該公式可知，RL的后側(cè)存在負(fù)電抗，因此需要基于電容成分的共振部分。所以，無論是串聯(lián)還是并聯(lián)安裝電容器，均通過電容器的電容成分獲得共振。

另外，為了不讓二次線圈的變動給一次線圈的電壓變動率帶來負(fù)面影響，大多情況下會在一次線圈部分也安裝電容器，以提高系統(tǒng)的電源功率因數(shù)。那么，電容器該安裝在何處呢？本文將列舉約九種安裝示例，下并具體介紹其中具有代表性的四種。

由于k值較大時，互感M也較大，如圖5的“/串聯(lián)方式”所示，有時僅在二次線圈中配置用來補(bǔ)償漏磁的串聯(lián)電容器即可。k值較小時，如“/并聯(lián)方式”所示，在二次線圈部分并聯(lián)配置以二次側(cè)自感的共振頻率為電源頻率的電容器。

為改善電源功率因數(shù)，一般會像“串聯(lián)/并聯(lián)方式”那樣，在一次側(cè)配置串聯(lián)電容器，不過有時也會像“并聯(lián)/并聯(lián)”方式那樣，配置用來從一次線圈向氣隙（Air Gap）提供無功勵磁的并聯(lián)電容器。

其實，以電磁感應(yīng)方式為首，磁共振方式的線圈間傳輸效率（η）是與耦合系數(shù)（k）和共振峰值（Q）乘積的平方（α）成比例的（圖6）。我們的30kW電磁感應(yīng)方式在α約為103時的線圈間效率為92％左右。

                     圖6：與α成比例的傳輸效率

以電磁感應(yīng)方式為首，任何情況下磁共振方式的線圈間傳輸效率η都與kQ乘積的平方α成比例。黑點為電磁感應(yīng)方式、藍(lán)點為磁共振方式的實驗結(jié)果。

我們還在開發(fā)磁共振方式，目前已達(dá)到圖6的黑點水平。在這一水平時，即使距離60cm～1m左右，通過提高Q值也可使線圈間效率實現(xiàn)60％左右。

1980年代亮相

汽車擁有悠久的歷史，其實EV比發(fā)動機(jī)出現(xiàn)得更早。早在汽車的黎明期，就曾經(jīng)有過EV盛行的時期。之后，由于汽油這種燃料的便利性，EV逐漸退出歷史舞臺，但最近，EV的時代終于有望重返舞臺了。

汽車的無線供電誕生于1980年代。當(dāng)時出現(xiàn)了價格便宜的小型逆變器，無線供電開發(fā)由此步入正軌。1995年，標(biāo)致雪鐵龍（PSA Peugeot Citroen）集團(tuán)在法國實施采用電磁感應(yīng)方式的非接觸充電系統(tǒng)“Tulip（Transport Urbain,Individuel et Public）”計劃，這就是現(xiàn)在我們的無線供電系統(tǒng)的原型。該系統(tǒng)在地面上設(shè)置一次線圈，當(dāng)?shù)匕逑路脚鋫涠尉€圈的汽車停在一次線圈上之后，在一次側(cè)和二次側(cè)之間進(jìn)行信息交換，根據(jù)車輛所需的電力控制充電量。當(dāng)時的輸出功率較小，為6kW。

能以更大輸出功率傳輸電力的無線供電系統(tǒng)是德國穩(wěn)孚勒（Wampfler）的“IPT（Inductive Power Transfer）”。目前海外已經(jīng)導(dǎo)入數(shù)十臺，日本也導(dǎo)入了4臺。其原理與Tulip計劃相同，不過輸出功率可以達(dá)到30kW。穩(wěn)孚勒開發(fā)出了與讓車輛蓄電池達(dá)到最佳充電狀態(tài)的BMS（Battery Management System）之間相互通信，獲得充電需要的數(shù)值的系統(tǒng)。IPT配備于公交車上，在公交車站點乘客上下車時從車輛下側(cè)完成充電，可以說是目前電動公交車無線供電基本概念的早期實踐。

日本也在開始實證試驗

昭和飛機(jī)工業(yè)也在NEDO的協(xié)助下，于2004年為早稻田大學(xué)制造了“WEB-1（Waseda Electric micro Bus 1號機(jī)）”微型電動巴士，并配備了穩(wěn)孚勒的IPT（圖7）。車載蓄電池采用瑞士MESDEA公司的鈉熔鹽電池“ZEBRA　Battery”，之后又改為鋰離子充電電池，不過兩種做法都存在電池成本高的問題。

           圖7：配備無線供電系統(tǒng)的微型電動巴士“WEB- 1”

WEB-1最初的非接觸供電系統(tǒng)采用穩(wěn)孚勒公司的IPT、車載蓄電池配備了鈉熔鹽電池和電容器，后來變更為了自主開發(fā)的無線供電系統(tǒng)和鋰離子充電電池。

因此，我們在通過盡量削減電池配備量降低初期導(dǎo)入成本的同時，還減輕了車輛的重量，從而提高了燃效?？墒窍鳒p電池配備量后，充電一次的行駛距離會縮短，因此不是只在終點站和車站為電池充滿電，而是以多次短時間充電為基本模式。

IPT在早稻田大學(xué)本莊校園實施的試驗結(jié)果表明，即使電池容量較小也可使用。尤其是CO2減排效果非常大。

不過，海外生產(chǎn)的無線供電系統(tǒng)存在尺寸大、價格高以及無法確保大縫隙等諸多課題。因此，2005～2008年度我們在NEDO的協(xié)助下，開始著手無線供電系統(tǒng)的國產(chǎn)化工作。