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为电动车无线充电:如何接连磁共振方式

作者:时间:2013-01-19来源:网络
  昭和飞机工业正在开发为电动汽车(EV)和电动巴士等供应大容量电力的无线供电系统。本文将介绍以巴士为中心推进的在行驶中供电的系统。

  目前电动汽车(EV)大部分都采用接触式充电器,但接触式充电器用起来有诸多不便。使用家用电源的普通充电器虽然不太难用,但快速充电器则存在着连接器既大又重,而且难插拔等操作方面的困扰。此前也有致力于提高操作性的产品,例如采用美国SemaConnect公司自动充电器和本田机器人手臂的充电器等,但这些产品都会增加成本。

  另外,接触式充电器还存在安全和维护方面的问题。安全方面,虽然一般不会发生触电和漏电等现象,但用户在雨中插入连接器时会有担心。维护方面,由于接点会出现污渍和磨耗等,需要频繁进行检查和部件更换等作业。

  与此相比,非接触式无需进行线缆的插拔操作,充电时的安全性方面问题更少,还能降低维护需要的成本(图1)。因此,昭和飞机工业目前正开发即便在雨中也可安全充电的非接触式充电系统。

非接触式充电方便使用  

图1:非接触式充电方便使用

  非接触式无需线缆插拔操作,除了安全性出色外,还可降低保养成本。

  汽车用途有三种方式

  提起无线供电系统,一般会被误认为是插座厂商的工作,但我们认为它是充电器厂商的工作之一。汽车用途的无线供电并非像家用插座那样通过交流(AC)传输交流(AC)电力,而是整流AC转换为直流(DC)后,向远处供电(图2)。

无线供电系统本身就是充电器  

图2:无线供电系统本身就是充电器

  无线供电系统可以说是向远处位置供电的充电器。

  面向汽车用途的无线供电大致有三种方式:①电磁感应方式、②电波方式、③(表1)注1)。其中①利用的是线圈间产生的电磁感应的方式。从19世纪开始就存在,是已经成熟的技术。特点是从微小电力到100kW以上的大电力均可高效传输,已经实际应用于多种设备。不但在汽车用途方面推进了开发,在轻轨等方面也有很多开发事例。电磁感应方式有使一次线圈和二次线圈正相对的静止式充电系统和配备移动一次线圈供电位置的轨道的移动式充电系统(图3)。

电磁感应方式大致可分为静止式和移动式  

图3:电磁感应方式大致可分为静止式和移动式

  有线圈之间正相对的静止式和可延伸一次线圈作为供电线的移动式。

  注1)此外,还有村田制作所等开发的电场耦合方式。

  静止式方面,三洋电机已经面向任天堂的家用游戏机“Wii”销售可无线供电的底座与充电电池套件。移动式方面,加拿大庞巴迪(Bombardier)的Transportation部门开发出了在供电线上一直供电的电车用无线供电系统,2010年11月开始在德国推进实用化。

  的发布接连不断

  ②的电波方式为接收微波等电波,与天线合为一体的整流电路直接将电波转换为直流。通过缩小电波的波束,可实现长距离大电力传输。从宇宙空间的人造卫星向地面供电的太阳能发电卫星(SPS)计划目前正在日美两国之间进行讨论。

  在汽车领域,三菱重工业在新能源产业技术综合开发机构(NEDO)的协助下,开发出了微波充电系统。采用与微波炉相同的2.45GHz电波发生装置“磁控管”,可经由“整流天线”向车辆地板下方传输1kW的电力。不过,目前电力传输效率还不高。

  ③的方面,2007年6月美国麻省理工学院(MIT)发布了利用共振电路之间的共振现象,向2m远的距离传输60W电力的无线供电系统。之后,众多企业和研究机构等相继进行了发布。

  关于最让人关注的效率问题,美国WiTricity在输出功率为3.3kW、传输距离为20cm的情况下使综合效率达到了90%。此外,长野日本无线在输出功率为1kW、传输距离为30cm的情况下,使功率放大器和电池间的效率实现了88% 注2)。(未完待续,特约撰稿人:高桥俊辅,昭和飞机工业IPS及EV事务室技师长)

  注2)本文中的无线供电系统的“效率”在没有特别标注时指线圈间的电力传输效率。

  电动汽车如何应用技术?

  在电动汽车方面的应用

  无线充电如何应用到电动汽车方面呢?下面,我们将通过对充电地点、充电方式、充电电池的简单研究分析,最终提出无线充电在电动汽车上的具体应用方法。

  首先,充电地点的选择。无线充电技术对充电器、被充电设备的距离和状态有关,也就是说,二者之间的距离不能太大,且二者之间没有相对运动,否则就无法稳定和有效的传输电力。因此充电的位置只能是汽车停留的地点,即车库、停车场、路口等位置,公车的充电装置还可以设置在公交网站。当然,条件允许的地方或高速公路旁还可以专门设置充电站,方便车辆的充电。

  其次,充电方式的选择。从三种充电方式中可以看出,电磁感应充电所需要的距离太小,无线电波充电的效率太低,而电磁共振充电的距离、效率都能满足蓄电池汽车的需要。

  最后,对充电电池的选择。电动汽车在城市中随时都会进行充电,因此必须要选择无污染且没有记忆效应的蓄电池进行充电。

  经过比选,我们对无线充电在电动汽车的应用上有了比较清晰的思路:一方面在道路及建筑工程建设中,由电力供应单位根据规划图事先在路口、公共停车场的车位元、单位或社区的停车位元和车库下面预埋无线充电的充电器,并做好充电器与电网太阳能电池板连接;另一方面,汽车生产厂家要在汽车底部安装无线充电的接收装置,并与蓄电池等设备连接;另外,国家相关部门要统一发射、接收信号的频率,使其能够通用。

  无线充电技术在应用发展中应注意的问题

  1.国家要出台相应的政策,鼓励、扶持并规范无线充电汽车的发展和充电设施的建设。一个行业或企业,尤其是利国利民的行业或企业的发展,离不开国家的扶持。无线充电是一个刚刚起步的领域,其有效的发展可以很大程度上解决电动汽车发展的一个瓶颈,但由于对其研发的投资巨大,这就更需要国家进行鼓励和扶持,以加快其研发进程,使其尽早得以应用。

  2.无论最终采用何种方式充电、采用何种蓄电池,国家及各地方有关部门都要对其频率、安全、环保、节能等方面进行研究,避免浪费、避免对人体健康产生不良影响、避免对环境造成新的污染,同时要宣传到位,避免人们对电磁的恐惧心理。

  3.在实际中,由于发射端置于地下,要注意对其的保护。

  4.在雨水较多的地区,除对地下设施的防水外,车辆接收端的防水处理也是一个需要考虑的问题。

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