乘用车非接触充电技术原理及应用介绍

乘用车非接触充电技术原理及应用介绍

电动车的特点是能够在家里及停车场接上电源线进行充电。但是，由于持续行驶距离问题，充电次数比汽油车加油更加频繁，便利性因此有可能降低。而有望解决该问题的是利用电磁感应等不用电线充电的“非接触充电”方式。

　　不用电线就能进行充电方式被称之为“非接触充电”。在电动汽车及混合动力巴士中，已有部分车型开始采用非接触充电，近来，在乘用车型的EV（电动汽车）中采用的可能性越来越高。

　　“非接触充电”方式的巴士已于2008年2月在羽田机场、2009年10月在奈良分别进行了试行驶。充电方式采用了基于电磁感应的方式。首先在巴士中采用非接触充电的理由是，驾驶员驾驶技术高，能将车准确停到有送电线圈的位置。并且，运行路线确定，只需很少充电设施的设置成本。

　　而乘用车型EV方面，需要开发停车车位置有些偏差也能够充电的技术，需要大范围设置充电基础设施。因此，业内普遍认为在乘用车中采用非接触充电还需要一段时间。

　　日产对非接触充电系统的实用化表现最为积极。该公司正考虑在2013～2015年推出的第二代EV中采用。第二代EV之一是在2009年秋季东京车展上公开的概念车“LandGlider”（图1）。设想在配置在车辆底板下面的受电部与配置在地面上的送电部之间传输电力，以实现非接触充电。

图1：日产汽车的“LandGlider” 在2009年秋季东京车展上公开的电动汽车概念车。设想支持非接触充电。考虑2013年前后实现实用化。

　　日产认为要在乘用车中普及非接触充电，需要开发技术并降低成本。致力于非接触充电的最主要理由是“EV在街上充电情况会增多”。

　　有些用户以前开汽油车以每月1～2次的频率进行加油即可，而换成EV每次开车都要充电。用户每次充电都必须连接电源线，便利性随之降低。“仅从现在的用电源线充电的方法来看，肯定有些用户会感觉EV比汽油车麻烦”（日产汽车企划与先进技术开发本部负责人人见义明），这种危机感使日产开始积极开发非接触充电业务。

　　人见认为：“现在的EV尚未完全发挥出电气特性。如果非接触充电能够达到实用化，便可明确显示EV与汽油车的区别，能够提高EV的附加值”。

　　正因为日产是最关注EV普及的厂商，所以对充电方式的多样化态度积极。该公司将先于其他公司，将EV的生产规模由2010年的年产5万辆扩大到2012年的年产20万辆。预计2020年全球新车市场的1成将为EV所占据。

　　如果EV得到普及，估计在认为可以用电线充电的用户以外，还会出现认为连接麻烦希望采用非接触充电的用户和希望采用电池更换式的用户。预计日产正在开发的非接触充电将在高级车型和配件中采用。“非接触充电设想面向不管成本多高都想使用的用户。将由用户负担数万日元至十几万日元的费用”（人见）。

　　按充电时间来划分EV充电方式，可分为普通充电和快速充电两种。日产的第二代EV设想普通充电用电线进行，快速充电使用非接触充电系统。由于家庭中使用便宜的深夜电力，因此可以采用使用电线的普通充电。

　　而在街上补充充电需要短时间内完成，因此可以使用快速充电。不过，如果短时间内插拔电线，尤其在雨天等情况下，会感觉充电操作不方便。因此，快速充电也将准备非接触式。

非接触充电方式有三种

      非接触供电方式大致分为三种。①已应用于消费类电子产品等的电磁感应方式，②可向数米外供电的磁共振方式，③低成本的微波方式（表）。

      电磁感应是最接近实用化的方式，不过存在的问题是送电距离比较短，如果送电部与受电部的横向偏差较大、传输效率就会下降。另外，用于快速充电时，还存在基础设施方的送电设备耗费成本的问题。

　　而针对这两个问题，开发出了能够延长送电距离的磁共振方式和有望降低成本的微波方式。

　　日产正考虑采用电磁感应方式。该公司在2009年7月举行的先进技术说明会上公开了电磁感应方式的非接触充电系统（图2）。系统是该公司与昭和飞行机工业合作开发的。充电能力因送电线圈和受电线圈的尺寸而异，不过用于乘用车的充电能力为1k～30kW左右。

图2：配备非接触充电系统的实验车辆日产汽车2009年7月公开的非接触充电系统。（a）原型车是2000年上市的电动汽车“Hypermini”。计划在2013年推出的新一代EV中采用非接触充电系统。非接触充电系统是与昭和飞行机工业合作开发的。（b）送电部和受电部。

 如果家用普通充电的充电能力为1.5kW（交流100V×15A）左右，街上快速充电器（直流300～400V×150A）的充电为50kW左右，纳闷昭和飞行机所开发系统的充电能力则相当于快速充电器的一半左右。普通充电时，能以与电线式相同的时间进行充电，快速充电时，则能在电线式约1.5倍时间内充电。

　　电磁感应在送电线圈和受电线圈之间传输电力。当送电线圈中有交流电流流过时，送电·受电线圈之间产生磁束，随着磁束变化，受电线圈会有交流电流流过（图3）。日产与昭和飞行机合作开发的系统，其传输距离为10cm左右，传输效率达到90%，不过希望今后即使汽车在横向偏差20～30cm时停下也能确保同等的传输效率。具体将通过减少送电·受电线圈的损耗等，比原来进一步提高传输效率。

图3：电磁感应的原理当送电线圈有交流电流流过时，产生磁束，穿过受电线圈。当磁束变化时，受电线圈产生感应电动势，有电流流过。

　　此外，两家公司还将研究检测充电时送电·受电部之间是否有动物侵入以及是否有金属碎片进入等的机制。因为如果充电时有异物，此处就会产生涡电流，有可能导致发热。

磁共振能够传输数米之远

　　其他两种方式的输出功率还很小，还处于研究阶段，不过作为下一代技术备受关注。

　　采用磁共振方式的非接触传输系统自2007年美国MIT（麻省理工学院）公布以来，一直备受全球技术人员的关注。日本国内，2009年8月长野日本无线宣布开发出基于磁共振的送电系统（图4）。当送电·受电部之间的传输距离为40cm时，传输效率达到95%（图5）。

图4：基于磁共振的电力传输系统长野日本无线开发的试制系统。其特点是与电磁感应方式相比，适于长距离传输。基本原理是电磁感应，利用控制电路设定共振频率，能够减少送电部与受电部之间的电阻，能够将电传输到远处。

 

图5：磁共振方式的系统（长野日本无线）利用高频电源将家用电源AC100V（50～60Hz）转换成13.56MHz，传输到送电部。利用受电部的整流电路转换成直流，用于点灯或者发动模型直升飞机。

 磁共振的基本原理与电磁感应相同。当送电部有电流流过时，产生磁束，受电部就会有电流流过。不过，不同点在于并非由简单线圈构成送电部和受电部而是采用兼备线圈（L）和电容器（C）的LC共振电路。另一个不同点是具有使两个电路具有相同共振频率的控制电路。共振频率值随着送电部与受电部之间的距离而变化。通过利用控制电路设定适当的共振频率来使两个电路发生共振。

      因两个电路共振的状态叫做“共鸣”，因此命名为磁共振方式。共振时，能够将送电部与受电部电路间的电阻降至最小，可在数米左右的距离内传输电力。

　　该公司估算，磁共振方式在60cm的传输距离内能够确保90%的效率（图6）。而电磁感应方式在数厘米左右的距离内传输效率低于90%，因此磁共振方式的效率更高。

　　设定共振频率的控制电路连接到送电部。如果不根据传输距离改变共振频率，传输效率也会跟电磁感应一样迅速降低（图7）。传输效率还随着送电部和受电部的直径而改变，面积越大，传输效率越高（图8）。　

图6：送电方式和传输效率电磁感应在数厘米内传输效率降低。而磁共振传输效率的减少平缓。送电·受电部的直径为40cm时。

 
图7：磁共振方式的共振频率控制根据送电部与受电部的距离适当控制共振频率，传输距离会猛增。
 

图8：送电·受电部的直径与传输距离的关系送电部和受电部都是直径越大，传输效率越高。

　　虽然目前输出功率只有30W，但2009年内打算提高到1kW左右。不过，实际使用时，需要跟其他方式一样，要符合电波法、验证对人体的安全性及减小部件等。

　　并且，方针是“从工厂叉车等使用范围受限的领域导入，最终应用于EV”（长野日本无线研究开发部长谷屋明彦）。

微波传输的成本低

     三菱重工业开发出了基于微波的充电系统（图9）。优点是能以低成本实现，缺点是传输效率只有38%。

图9：三菱重工业正在开发的微波非接触充电系统由送电装置和受电装置构成。之间被屏蔽，电波不会泄漏。

　　将电力转换成微波的装置使用的是2.45GHz的电波发生装置“Magnetron”，与电磁炉使用的装置一样（图10）。由于能够大量生产，每个只需1万日元左右，试制系统使用12个这种装置产生要发送的微波。其优势在于“送电和受电装置合计只需30万日元左右”（三菱重工宇宙机器技术部主任安间健一）。

图10：三菱重工的试制系统利用Magnetron使微波振荡，通过金属导波管，从送电部开孔处放射到上侧.

　　目前，利用Magnetron产生微波时的效率很低，因此电力大多变成了热，传输效率低。

　　有人认为，如果传输效率低，充满电需要的充电时间就会延长，导致电费增加。而三菱重工则认为：“从目前的效率来看，不适于快速充电，而作为使用深夜电力的普通充电使用，则有可能”（安间）。如果使用深夜电力，电费只有汽油车燃料费的1～2成左右，因此即使效率再差，也比汽油便宜。因此，普通充电采用非接触充电具有优势。

　　试制系统的送电装置方面，由于Magnetron的发热量大，因此用作将废热用于热水供应的热电联产系统，将综合能量效率提高到了70%（图11）。

图11　试制系统的构成利用送电装置的Magnetron产生微波。微波由车辆下放射，由安装在车辆上的受电部接收。在送电部和受电部进行屏蔽，以防止微波泄漏。

　　受电部将配置由天线和整流器（二极管）组成的“Rectenna”。微波是交流电波，用天线接收后，利用整流电路由交流转换成直流电流，为电池充电。

　　受电部的Rectenna为数厘米见方，配备有48个。一个Rectenna产生电压20V的直流电流，48个串联，能够升压至相当于普通充电的约1kW。

　　为防止充电时微波从送电·受电部之间外漏，采用了屏蔽结构。系统运行时，送电部的上侧升高数厘米。送电部的上面装有长6cm的金属屏蔽电刷。当送电部升高时，送电部和受电部被屏蔽电刷覆盖，防止微波外漏。

　　通过将微波泄漏设定在电波法规定值以下，使车辆配备的电子设备及附近行人的心律调整器等得以免受影响。屏蔽部有1～2mm的缝隙，不过由于微波波长长达约12cm，因此在1～2mm的缝隙间基本没有电波泄漏。

　　送电部为确保安全性，配置了导通传感器。当因泊车位置偏差导致送电部和受电部未接触时，能够检出。受电部相对于送电部左右方向宽30cm，前后方向长10cm，因此能够吸收泊车时的位置偏差。