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

在日本長(zhǎng)野市，由政府委托民間運(yùn)營(yíng)的“Gururin號(hào)”環(huán)線巴士已開(kāi)始在長(zhǎng)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(kāi)發(fā)的既能連接電源充電又能無(wú)線充電的電動(dòng)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(dòng)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(zhǎng)續(xù)航距離，而EV普及的另一個(gè)關(guān)鍵是充電技術(shù)。其中，“無(wú)線充電”備受關(guān)注。

無(wú)線充電也叫非接觸充電，是指不通過(guò)金屬觸點(diǎn)、連接器及電線等來(lái)傳輸電力的技術(shù)。現(xiàn)已應(yīng)用于無(wú)繩電話及電動(dòng)牙刷等，應(yīng)用于EV的動(dòng)向也活躍起來(lái)。

通過(guò)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(zhǎng)野站周邊的環(huán)線巴士路線，對(duì)“短距離行駛高頻率充電型”電動(dòng)巴士的實(shí)用性進(jìn)行評(píng)估（圖1）。

圖1：電動(dòng)巴士的無(wú)線充電站（左） 供電裝置埋在路面上灰色部分里，停車時(shí)要使安裝在車底的受電裝置對(duì)準(zhǔn)供電裝置，然后充電。

對(duì)于車重較重的大型巴士，要想實(shí)現(xiàn)電動(dòng)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(huì)犧牲乘坐空間。

但如果限定在短距離行駛的話，則可以通過(guò)增加充電次數(shù)來(lái)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(guò)無(wú)線充電來(lái)減輕頻繁的充電工作。

擔(dān)任實(shí)證試驗(yàn)組長(zhǎng)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(shuō)：“我們的目的是通過(guò)每天在實(shí)際巴士線路上的行駛來(lái)多角度評(píng)估電動(dòng)化帶來(lái)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(jì)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(diǎn)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(jiàn)，并且大多由地方政府運(yùn)營(yíng)。長(zhǎng)野市認(rèn)為不會(huì)排放尾氣和CO₂的電動(dòng)巴士很適合作為市區(qū)的公共交通工具，為了將來(lái)引進(jìn)電動(dòng)巴士，因此同意在此開(kāi)展實(shí)證試驗(yàn)。

圖2：安在駕駛席上部的無(wú)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(yàn)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(dòng)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(zhǎng)野站前出發(fā)最后再返回這里的電動(dòng)巴士會(huì)駛向設(shè)置在附近的無(wú)線充電器。路面上埋有90cm見(jiàn)方左右的供電裝置，停車時(shí)要使安裝在巴士車底的受電裝置對(duì)準(zhǔn)供電裝置。駕駛員坐在駕駛席操作面板就能開(kāi)始充電（圖2），15分鐘左右即可充滿。其間，駕駛員無(wú)需走出巴士。

Gururin號(hào)的6名駕駛員全是女性，由他們?yōu)槠嚦潆姟Ｔ跊](méi)有無(wú)線充電設(shè)備的夜間停車場(chǎng)，也會(huì)使用普通的插電方式充電。當(dāng)被問(wèn)及充電操作時(shí)，女駕駛員誠(chéng)懇地評(píng)價(jià)了無(wú)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(wú)線要輕松得多。因?yàn)樵谲嚴(yán)锞涂梢圆僮鳎约词褂龅接暄┨熵?fù)擔(dān)也很小”。

電磁感應(yīng)方式存在傳輸距離問(wèn)題

不需要插座的無(wú)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(lái)看，電磁感應(yīng)方式已進(jìn)入實(shí)用階段，而磁共振方式處于實(shí)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(chǎng)發(fā)生變化時(shí)、產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的物理現(xiàn)象。擺放兩個(gè)線圈，對(duì)其中一個(gè)線圈（一次線圈）通電（交流電），就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，受該磁場(chǎng)影響，另一個(gè)線圈（二次線圈）中就會(huì)產(chǎn)生電流。電磁感應(yīng)現(xiàn)象是1831年英國(guó)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(dòng)牙刷等的充電中采用，但不能直接應(yīng)用于電動(dòng)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(shí)現(xiàn)充電。如何實(shí)現(xiàn)由鋪設(shè)在路面上的供電部分（一次線圈）向電動(dòng)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(guò)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(tái)德國(guó)生產(chǎn)的無(wú)線充電裝置評(píng)估了其實(shí)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(dòng)巴士的判斷。當(dāng)時(shí)，在意大利都靈等地開(kāi)展的實(shí)證試驗(yàn)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(shí)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(kāi)始加大送電距離的開(kāi)發(fā)。通過(guò)模對(duì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行模擬及電磁場(chǎng)分析，對(duì)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(zhǎng)到10cm，2010年成功延長(zhǎng)到14cm。

圖3：通過(guò)電磁場(chǎng)分析模擬發(fā)生磁場(chǎng)，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(jì)

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(lái)充電，而送電距離達(dá)到14cm，就可以完全埋入路面里了。長(zhǎng)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(dòng)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(duì)準(zhǔn)，這一點(diǎn)比較麻煩

但是，電磁感應(yīng)方式的操作性方面還存在問(wèn)題。如果供電裝置與受電裝置的中心軸不對(duì)準(zhǔn)，效率就會(huì)大幅下滑。充電時(shí)，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(gè)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(wèn)題的技術(shù)備受關(guān)注的是磁共振方式。這是2006年美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）已宣布達(dá)到實(shí)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(cuò)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(méi)有應(yīng)用于電力傳輸?shù)膶?shí)例，技術(shù)發(fā)布時(shí)展示的隔著2米遠(yuǎn)點(diǎn)亮燈泡的實(shí)驗(yàn)令科學(xué)家們非常震驚。

三種無(wú)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)姆绞健Ｕ诒蛔鳛閷?shí)現(xiàn)太空光伏發(fā)電構(gòu)想（在宇宙空間設(shè)置太陽(yáng)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(duì)人體的影響等。雖然也在開(kāi)展設(shè)想用于EV充電的極近距離充電試驗(yàn)，但充電效率還很低，距離實(shí)用化還有很長(zhǎng)的路。

MIT的研究小組成立的風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)與豐田等合作

現(xiàn)在日本國(guó)內(nèi)外都在積極推進(jìn)無(wú)線充電的開(kāi)發(fā)和普及。

在美國(guó)，從事手機(jī)通信技術(shù)開(kāi)發(fā)的高通也積極致力于EV用無(wú)線充電。該公司從2012年開(kāi)始在倫敦使用50輛EV開(kāi)展無(wú)線充電實(shí)證試驗(yàn)。使用的無(wú)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(cuò)位問(wèn)題“絕招”的磁共振方式方面，已對(duì)技術(shù)進(jìn)行了實(shí)證的MIT的研究小組成立了從事無(wú)線充電開(kāi)發(fā)的公司W(wǎng)iTricity，正與美國(guó)知名汽車部件廠商Delphi等合作開(kāi)發(fā)。日本的豐田及IHI等也在與該公司合作開(kāi)發(fā)磁共振方式無(wú)線充電技術(shù)。

雖然磁共振方式存在無(wú)法進(jìn)行大功率傳輸?shù)恼n題，但WiTricity已成功實(shí)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(shí)現(xiàn)為行駛中的EV充電。

無(wú)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?duì)EV的評(píng)價(jià)。