日本環(huán)線巴士試運(yùn)行的啟示——電動汽車普及的關(guān)鍵是“無線充電”

在日本長野市，由政府委托民間運(yùn)營的“Gururin號”環(huán)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(qū)等循環(huán)行駛。其中的一輛巴士是由早稻田大學(xué)等開發(fā)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，一周8km，需要40分鐘左右，每天4趟。

純電動汽車（EV）普及的關(guān)鍵在于蓄電池的進(jìn)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(xù)航距離，而EV普及的另一個關(guān)鍵是充電技術(shù)。其中，“無線充電”備受關(guān)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(shù)?，F(xiàn)已應(yīng)用于無繩電話及電動牙刷等，應(yīng)用于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(xué)的研究小組正在利用長野站周邊的環(huán)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(jìn)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里，停車時要使安裝在車底的受電裝置對準(zhǔn)供電裝置，然后充電。

對于車重較重的大型巴士，要想實現(xiàn)電動化就必須要有大容量蓄電池，而這很容易使其成本高于乘用車，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(shù)來減少蓄電池配備數(shù)量?！岸叹嚯x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(dān)任實證試驗組長的早稻田大學(xué)理工學(xué)術(shù)院環(huán)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(huán)境負(fù)荷的降低、駕駛員的工作負(fù)荷、運(yùn)行計劃的制定方法以及乘坐舒適性等”。

途經(jīng)市中心主要設(shè)施和觀光景點等的環(huán)線巴士路線作為市民和游客輕松出行的工具在地方城市很常見，并且大多由地方政府運(yùn)營。長野市認(rèn)為不會排放尾氣和CO₂的電動巴士很適合作為市區(qū)的公共交通工具，為了將來引進(jìn)電動巴士，因此同意在此開展實證試驗。

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

比插電式“輕松得多”

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(shù)相同，仍為31人。

從長野站前出發(fā)最后再返回這里的電動巴士會駛向設(shè)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(zhǔn)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?yōu)槠嚦潆?。在沒有無線充電設(shè)備的夜間停車場，也會使用普通的插電方式充電。當(dāng)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線纜的充電接口插入、拔出相比，無線要輕松得多。因為在車?yán)锞涂梢圆僮?，所以即使遇到雨雪天?fù)擔(dān)也很小”。

電磁感應(yīng)方式存在傳輸距離問題

不需要插座的無線充電技術(shù)有“電磁感應(yīng)方式”、“磁共振方式”和“微波方式”三種方式。

其中，最容易進(jìn)行大功率傳輸?shù)氖请姶鸥袘?yīng)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(yuǎn)的是微波方式，其次是磁共振方式，再次是電磁感應(yīng)方式。

從技術(shù)成熟度來看，電磁感應(yīng)方式已進(jìn)入實用階段，而磁共振方式處于實證階段，微波方式處于基礎(chǔ)研發(fā)階段。

電磁感應(yīng)是貫穿線圈的磁場發(fā)生變化時、產(chǎn)生電動勢的物理現(xiàn)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(chǎn)生磁場，受該磁場影響，另一個線圈（二次線圈）中就會產(chǎn)生電流。電磁感應(yīng)現(xiàn)象是1831年英國科學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)的，也是發(fā)電機(jī)及變壓器等很多電氣設(shè)備的工作原理。

雖然電磁感應(yīng)方式已在電動牙刷等的充電中采用，但不能直接應(yīng)用于電動巴士。原因是電磁感應(yīng)方式存在線圈間的距離增大后難以實現(xiàn)充電。如何實現(xiàn)由鋪設(shè)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(xué)的研究小組最初拿到了一臺德國生產(chǎn)的無線充電裝置評估了其實用性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)送電距離只有5cm，因此做出了不能直接應(yīng)用于電動巴士的判斷。當(dāng)時，在意大利都靈等地開展的實證試驗是采用機(jī)械方式使受電部分從巴士上下降、靠近供電部分從而實現(xiàn)充電的。但這樣不僅使巴士的機(jī)構(gòu)變得復(fù)雜，還不能充分減輕充電工作。

于是，早稻田大學(xué)的研究小組自己開始加大送電距離的開發(fā)。通過模對產(chǎn)生的磁場進(jìn)行模擬及電磁場分析，對線圈纏繞方式等進(jìn)行了優(yōu)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(fā)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(shè)計

日本《交通法》規(guī)定，設(shè)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(shè)置箱式充電裝置來充電，而送電距離達(dá)到14cm，就可以完全埋入路面里了。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(yīng)35kW的大功率電力，充電效率在90％以上。輸出功率完全適用于為電動巴士充電，因此效率達(dá)到了與插電式相當(dāng)?shù)乃健?/span>

供電裝置與受電裝置必須對準(zhǔn)，這一點比較麻煩

但是，電磁感應(yīng)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(zhǔn)，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(shù)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(shù)備受關(guān)注的是磁共振方式。這是2006年美國麻省理工學(xué)院（MIT）已宣布達(dá)到實用化的新技術(shù)，是一種利用電磁共振現(xiàn)象傳輸電力的方式。由于是利用相同頻率產(chǎn)生共振的傳輸原理，不受錯位影響，送電距離也比電磁感應(yīng)方式遠(yuǎn)。這雖是眾所周知的物理現(xiàn)象，但目前還幾乎沒有應(yīng)用于電力傳輸?shù)膶嵗?，技術(shù)發(fā)布時展示的隔著2米遠(yuǎn)點亮燈泡的實驗令科學(xué)家們非常震驚。

三種無線充電方式中的最后一種是微波方式，是要將通信和廣播電視使用的電波應(yīng)用于電力傳輸?shù)姆绞?。正在被作為實現(xiàn)太空光伏發(fā)電構(gòu)想（在宇宙空間設(shè)置太陽能面板為地面充電）的送電技術(shù)推進(jìn)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(shè)想用于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(fēng)險企業(yè)與豐田等合作

現(xiàn)在日本國內(nèi)外都在積極推進(jìn)無線充電的開發(fā)和普及。

在美國，從事手機(jī)通信技術(shù)開發(fā)的高通也積極致力于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(shè)備為電磁感應(yīng)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(shù)進(jìn)行了實證的MIT的研究小組成立了從事無線充電開發(fā)的公司W(wǎng)iTricity，正與美國知名汽車部件廠商Delphi等合作開發(fā)。日本的豐田及IHI等也在與該公司合作開發(fā)磁共振方式無線充電技術(shù)。

雖然磁共振方式存在無法進(jìn)行大功率傳輸?shù)恼n題，但WiTricity已成功實現(xiàn)了在20cm的距離內(nèi)傳輸3kW左右的電力。有人認(rèn)為，隨著大功率傳輸?shù)燃夹g(shù)進(jìn)步，還有可能實現(xiàn)為行駛中的EV充電。

無線充電技術(shù)的進(jìn)步有可能彌補(bǔ)蓄電池技術(shù)的局限，有可能大大改變?nèi)藗儗V的評價。