為EV無(wú)線(xiàn)充電（二）：進(jìn)入實(shí)用階段的電磁感應方式

進(jìn)入實(shí)用階段的電磁感應方式

在上述三大方式中，采用本公司的電磁感應方式的無(wú)線(xiàn)供電系統已經(jīng)進(jìn)入實(shí)證階段。預定2011年秋季以后導入到實(shí)際的公交線(xiàn)路上使用。就這一意義而言，可以認為目前能立即實(shí)用化的無(wú)線(xiàn)供電方式還只有電磁感應方式。

下面將詳細介紹電磁感應方式。電磁感應方式基本可以認為是變壓器的一種（圖4）。也就是說(shuō)，類(lèi)似于當內核與內核間的縫隙為零時(shí)，以50Hz的頻率輸入后會(huì )輸出50Hz頻率的變壓器。

圖4：與變壓器相同

非接觸充電類(lèi)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(xiàn)不會(huì )泄漏，因此耦合系數（k）基本為1。但用于無(wú)線(xiàn)供電時(shí)需要一定的縫隙，所以會(huì )泄漏磁力線(xiàn)。因此，k會(huì )小于1。

一次線(xiàn)圈和二次線(xiàn)圈正相對的靜止式電路原則上在任何情況下都會(huì )設置逆變器，從逆變器經(jīng)由一次線(xiàn)圈在二次線(xiàn)圈接收電力，然后連接至負荷（RL）（圖5）。當然，也可轉換為直流，但需要整流。

圖5：需要利用電容器進(jìn)行共振

靜止式電磁感應方式為提高傳輸效率需要利用電容器進(jìn)行共振。

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

另外，為了不讓二次線(xiàn)圈的變動(dòng)給一次線(xiàn)圈的電壓變動(dòng)率帶來(lái)負面影響，大多情況下會(huì )在一次線(xiàn)圈部分也安裝電容器，以提高系統的電源功率因數。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(shí)，互感M也較大，如圖5的“/串聯(lián)方式”所示，有時(shí)僅在二次線(xiàn)圈中配置用來(lái)補償漏磁的串聯(lián)電容器即可。k值較小時(shí)，如“/并聯(lián)方式”所示，在二次線(xiàn)圈部分并聯(lián)配置以二次側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，一般會(huì )像“串聯(lián)/并聯(lián)方式”那樣，在一次側配置串聯(lián)電容器，不過(guò)有時(shí)也會(huì )像“并聯(lián)/并聯(lián)”方式那樣，配置用來(lái)從一次線(xiàn)圈向氣隙（Air Gap）提供無(wú)功勵磁的并聯(lián)電容器。

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

圖6：與α成比例的傳輸效率

以電磁感應方式為首，任何情況下磁共振方式的線(xiàn)圈間傳輸效率η都與kQ乘積的平方α成比例。黑點(diǎn)為電磁感應方式、藍點(diǎn)為磁共振方式的實(shí)驗結果。

我們還在開(kāi)發(fā)磁共振方式，目前已達到圖6的黑點(diǎn)水平。在這一水平時(shí)，即使距離60cm～1m左右，通過(guò)提高Q值也可使線(xiàn)圈間效率實(shí)現60％左右。

1980年代亮相

汽車(chē)擁有悠久的歷史，其實(shí)EV比發(fā)動(dòng)機出現得更早。早在汽車(chē)的黎明期，就曾經(jīng)有過(guò)EV盛行的時(shí)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(shí)代終于有望重返舞臺了。

汽車(chē)的無(wú)線(xiàn)供電誕生于1980年代。當時(shí)出現了價(jià)格便宜的小型逆變器，無(wú)線(xiàn)供電開(kāi)發(fā)由此步入正軌。1995年，標致雪鐵龍（PSA Peugeot Citroen）集團在法國實(shí)施采用電磁感應方式的非接觸充電系統“Tulip（Transport Urbain,Individuel et Public）”計劃，這就是現在我們的無(wú)線(xiàn)供電系統的原型。該系統在地面上設置一次線(xiàn)圈，當地板下方配備二次線(xiàn)圈的汽車(chē)停在一次線(xiàn)圈上之后，在一次側和二次側之間進(jìn)行信息交換，根據車(chē)輛所需的電力控制充電量。當時(shí)的輸出功率較小，為6kW。

能以更大輸出功率傳輸電力的無(wú)線(xiàn)供電系統是德國穩孚勒（Wampfler）的“IPT（Inductive Power Transfer）”。目前海外已經(jīng)導入數十臺，日本也導入了4臺。其原理與Tulip計劃相同，不過(guò)輸出功率可以達到30kW。穩孚勒開(kāi)發(fā)出了與讓車(chē)輛蓄電池達到最佳充電狀態(tài)的BMS（Battery Management System）之間相互通信，獲得充電需要的數值的系統。IPT配備于公交車(chē)上，在公交車(chē)站點(diǎn)乘客上下車(chē)時(shí)從車(chē)輛下側完成充電，可以說(shuō)是目前電動(dòng)公交車(chē)無(wú)線(xiàn)供電基本概念的早期實(shí)踐。

日本也在開(kāi)始實(shí)證試驗

昭和飛機工業(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）”微型電動(dòng)巴士，并配備了穩孚勒的IPT（圖7）。車(chē)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(guò)兩種做法都存在電池成本高的問(wèn)題。

圖7：配備無(wú)線(xiàn)供電系統的微型電動(dòng)巴士“WEB- 1”

WEB-1最初的非接觸供電系統采用穩孚勒公司的IPT、車(chē)載蓄電池配備了鈉熔鹽電池和電容器，后來(lái)變更為了自主開(kāi)發(fā)的無(wú)線(xiàn)供電系統和鋰離子充電電池。

因此，我們在通過(guò)盡量削減電池配備量降低初期導入成本的同時(shí)，還減輕了車(chē)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(huì )縮短，因此不是只在終點(diǎn)站和車(chē)站為電池充滿(mǎn)電，而是以多次短時(shí)間充電為基本模式。

IPT在早稻田大學(xué)本莊校園實(shí)施的試驗結果表明，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(guò)，海外生產(chǎn)的無(wú)線(xiàn)供電系統存在尺寸大、價(jià)格高以及無(wú)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(kāi)始著(zhù)手無(wú)線(xiàn)供電系統的國產(chǎn)化工作。