日本环线巴士试运行的启示——电动汽车普及的关键是“无线充电”

2013-04-04 20:19:23来源: 互联网 关键字:日本  巴士  启示  关键
      在日本长野市,由政府委托民间运营的“Gururin号”环线巴士已开始在长野车站、善光寺及县政府所在的市中心地区等循环行驶。其中的一辆巴士是由早稻田大学等开发的既能连接电源充电又能无线充电的电动巴士。这条线路比较短,一周8km,需要40分钟左右,每天4趟。 

       纯电动汽车(EV)普及的关键在于蓄电池的进步。目前蓄电池面临的课题是降低成本,以及提高输出密度延长续航距离,而EV普及的另一个关键是充电技术。其中,“无线充电”备受关注。 

       无线充电也叫非接触充电,是指不通过金属触点、连接器及电线等来传输电力的技术。现已应用于无绳电话及电动牙刷等,应用于EV的动向也活跃起来。 

通过减少蓄电池降低车辆成本

       早稻田大学的研究小组正在利用长野站周边的环线巴士路线,对“短距离行驶高频率充电型”电动巴士的实用性进行评估(图1)。 

 
图1:电动巴士的无线充电站(左)
电装置埋在路面上灰色部分里,停车时要使安装在车底的受电装置对准供电装置,然后充电。

       对于车重较重的大型巴士,要想实现电动化就必须要有大容量蓄电池,而这很容易使其成本高于乘用车,还会牺牲乘坐空间。 

       但如果限定在短距离行驶的话,则可以通过增加充电次数来减少蓄电池配备数量。“短距离行驶高频率充电”就是想要通过无线充电来减轻频繁的充电工作。 

       担任实证试验组长的早稻田大学理工学术院环境能源研究科纸屋雄史教授说:“我们的目的是通过每天在实际巴士线路上的行驶来多角度评估电动化带来的影响,比如环境负荷的降低、驾驶员的工作负荷、运行计划的制定方法以及乘坐舒适性等”。 

       途经市中心主要设施和观光景点等的环线巴士路线作为市民和游客轻松出行的工具在地方城市很常见,并且大多由地方政府运营。长野市认为不会排放尾气和CO2的电动巴士很适合作为市区的公共交通工具,为了将来引进电动巴士,因此同意在此开展实证试验。 

图2:安在驾驶席上部的无线充电操作面板
只需在车内面板上操作便可完成充电
比插电式“轻松得多” 

       试验车配备了蓄电容量为35kWh的锂(Li)离子蓄电池。跑完一趟8km消耗的电量不到蓄电容量的4成。配备的蓄电池的容量是纯电动乘用车的1.5~2倍,但乘坐空间与改造成EV前的参数相同,仍为31人。 

       从长野站前出发最后再返回这里的电动巴士会驶向设置在附近的无线充电器。路面上埋有90cm见方左右的供电装置,停车时要使安装在巴士车底的受电装置对准供电装置。驾驶员坐在驾驶席操作面板就能开始充电(图2),15分钟左右即可充满。其间,驾驶员无需走出巴士。 

       Gururin号的6名驾驶员全是女性,由他们为汽车充电。在没有无线充电设备的夜间停车场,也会使用普通的插电方式充电。当被问及充电操作时,女驾驶员诚恳地评价了无线的便利性,“与将连有又粗又重的线缆的充电接口插入、拔出相比,无线要轻松得多。因为在车里就可以操作,所以即使遇到雨雪天负担也很小”。 

电磁感应方式存在传输距离问题 

       不需要插座的无线充电技术有“电磁感应方式”、“磁共振方式”和“微波方式”三种方式。 

       其中,最容易进行大功率传输的是电磁感应方式,其次是磁共振方式,再次是微波方式。相反,传输距离最远的是微波方式,其次是磁共振方式,再次是电磁感应方式。 

       从技术成熟度来看,电磁感应方式已进入实用阶段,而磁共振方式处于实证阶段,微波方式处于基础研发阶段。 

       电磁感应是贯穿线圈磁场发生变化时、产生电动势的物理现象。摆放两个线圈,对其中一个线圈(一次线圈)通电(交流电),就会产生磁场,受该磁场影响,另一个线圈(二次线圈)中就会产生电流。电磁感应现象是1831年英国科学家法拉第发现的,也是发电机及变压器等很多电气设备的工作原理。 

       虽然电磁感应方式已在电动牙刷等的充电中采用,但不能直接应用于电动巴士。原因是电磁感应方式存在线圈间的距离增大后难以实现充电。如何实现由铺设在路面上的供电部分(一次线圈)向电动巴士车底安装的受电部分(二次线圈)高效供电是目前面临的课题。 

通过增加送电距离使供电装置能够埋入路面 

       早稻田大学的研究小组最初拿到了一台德国生产的无线充电装置评估了其实用性,结果发现送电距离只有5cm,因此做出了不能直接应用于电动巴士的判断。当时,在意大利都灵等地开展的实证试验是采用机械方式使受电部分从巴士上下降、靠近供电部分从而实现充电的。但这样不仅使巴士的机构变得复杂,还不能充分减轻充电工作。 

       于是,早稻田大学的研究小组自己开始加大送电距离的开发。通过模对产生的磁场进行模拟及电磁场分析,对线圈缠绕方式等进行了优化(图3)。2005年成功将传输距离延长到10cm,2010年成功延长到14cm。 

图3:通过电磁场分析模拟发生磁场,从而找到线圈缠绕方式等充电装置与受电装置的最佳设计

       日本《交通法》规定,设置在公路上的物件不能影响交通。送电距离为10cm的话,需要在路上设置箱式充电装置来充电,而送电距离达到14cm,就可以完全埋入路面里了。长野市使用的供电装置能从路面直接向巴士车底的受电部分供应35kW的大功率电力,充电效率在90%以上。输出功率完全适用于为电动巴士充电,因此效率达到了与插电式相当的水平。 

供电装置与受电装置必须对准,这一点比较麻烦 

       但是,电磁感应方式的操作性方面还存在问题。如果供电装置与受电装置的中心轴不对准,效率就会大幅下滑。充电时,巴士要停到使两者几乎完全重叠的位置。驾驶技术高超的巴士驾驶员们要一个月才能熟练掌握。普通驾驶员在日常生活中很难熟练操作。 

       作为解决该问题的技术备受关注的是磁共振方式。这是2006年美国麻省理工学院(MIT)已宣布达到实用化的新技术,是一种利用电磁共振现象传输电力的方式。由于是利用相同频率产生共振的传输原理,不受错位影响,送电距离也比电磁感应方式远。这虽是众所周知的物理现象,但目前还几乎没有应用于电力传输的实例,技术发布时展示的隔着2米远点亮灯泡的实验令科学家们非常震惊。 

       三种无线充电方式中的最后一种是微波方式,是要将通信和广播电视使用的电波应用于电力传输的方式。正在被作为实现太空光伏发电构想(在宇宙空间设置太阳能面板为地面充电)的送电技术推进研究,但有很多课题需要解决,比如,在广阔空间传输高能量微波对人体的影响等。虽然也在开展设想用于EV充电的极近距离充电试验,但充电效率还很低,距离实用化还有很长的路。 

MIT的研究小组成立的风险企业与丰田等合作 

       现在日本国内外都在积极推进无线充电的开发和普及。 

       在美国,从事手机通信技术开发的高通也积极致力于EV用无线充电。该公司从2012年开始在伦敦使用50辆EV开展无线充电实证试验。使用的无线充电设备为电磁感应方式,允许供电与受电装置之间40cm的偏移。 

       在被视作解决错位问题“绝招”的磁共振方式方面,已对技术进行了实证的MIT的研究小组成立了从事无线充电开发的公司WiTricity,正与美国知名汽车部件厂商Delphi等合作开发。日本的丰田及IHI等也在与该公司合作开发磁共振方式无线充电技术。 

       虽然磁共振方式存在无法进行大功率传输的课题,但WiTricity已成功实现了在20cm的距离内传输3kW左右的电力。有人认为,随着大功率传输等技术进步,还有可能实现为行驶中的EV充电。 

       无线充电技术的进步有可能弥补蓄电池技术的局限,有可能大大改变人们对EV的评价。

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编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2013/0404/article_6952.html
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