為EV無線充電（二）：進(jìn)入實(shí)用階段的電磁感應(yīng)方式

進(jìn)入實(shí)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(shí)證階段。預(yù)定2011年秋季以后導(dǎo)入到實(shí)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(shí)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(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(huì)泄漏，因此耦合系數(shù)（k）基本為1。但用于無線供電時(shí)需要一定的縫隙，所以會(huì)泄漏磁力線。因此，k會(huì)小于1。

一次線圈和二次線圈正相對(duì)的靜止式電路原則上在任何情況下都會(huì)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(dòng)給一次線圈的電壓變動(dòng)率帶來負(fù)面影響，大多情況下會(huì)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(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(shí)，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(huì)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(shí)也會(huì)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(lì)磁的并聯(lián)電容器。

其實(shí)，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(shí)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(diǎn)為電磁感應(yīng)方式、藍(lán)點(diǎn)為磁共振方式的實(shí)驗(yàn)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(diǎn)水平。在這一水平時(shí)，即使距離60cm～1m左右，通過提高Q值也可使線圈間效率實(shí)現(xiàn)60％左右。

1980年代亮相

汽車擁有悠久的歷史，其實(shí)EV比發(fā)動(dòng)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(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(tái)，但最近，EV的時(shí)代終于有望重返舞臺(tái)了。

汽車的無線供電誕生于1980年代。當(dāng)時(shí)出現(xiàn)了價(jià)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(guó)實(shí)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(jì)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(shí)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(guó)穩(wěn)孚勒（Wampfler）的“IPT（Inductive Power Transfer）”。目前海外已經(jīng)導(dǎo)入數(shù)十臺(tái)，日本也導(dǎo)入了4臺(tái)。其原理與Tulip計(jì)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(diǎn)乘客上下車時(shí)從車輛下側(cè)完成充電，可以說是目前電動(dòng)公交車無線供電基本概念的早期實(shí)踐。

日本也在開始實(shí)證試驗(yàn)

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(hào)機(jī)）”微型電動(dòng)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(dòng)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?cè)谕ㄟ^盡量削減電池配備量降低初期導(dǎo)入成本的同時(shí)，還減輕了車輛的重量，從而提高了燃效。可是削減電池配備量后，充電一次的行駛距離會(huì)縮短，因此不是只在終點(diǎn)站和車站為電池充滿電，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(yàn)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(jià)格高以及無法確保大縫隙等諸多課題。因此，2005～2008年度我們?cè)贜EDO的協(xié)助下，開始著手無線供電系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化工作。