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不久后在高速公路也可以充电!?

大幅改变汽车未来的
“无线供电轮内马达系统”

采访撰文摄影/JQR编辑部 笔译:阿部罗洁

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在后轮装设“无线供电轮内马达系统”的实验用车。

藤本博志先生
东京大学新领域创成科学研究所副教授。日本自动车技术会电气动力技术部门委员会委员长。进行控制工程学,运动控制学,电动汽车运动控制,马达与变频器的高机能控制以及无线供电系统等相关研究。

 将驱动马达装载于车轮轮轴的轮内马达(in-wheel motor)方式是电动汽车的技术之一。这种方式虽然具备不需要差动齿轮(differential gear)与驱动轴(drive shaft)等很多优点,但其困难之处在于连接电池机构至驱动马达的供电电缆─由于脆弱的电缆容易断线,若在行驶时电缆断线,车辆就会失去控制。为了解决这个问题,以东京大学新领域创成科学研究所为中心的研究团队,开发了“无线供电轮内马达系统”。编辑部采访了8月4日的车辆行驶测试。

千叶县柏市。进入东京大学新领域创成科学研究所位于柏市校园内的实验所后,立刻看到一辆后轮装设了“无线供电轮内马达系统”的电动汽车。司机在车内踩油门后,露出后轮驱动部分的粗旷外观车子顺畅地开始行驶。由于是在大学校园内驾驶,因此将时速控制在每小时30公里,因为是电动汽车,产生的噪音也相当微弱。看上去是一般常见的车辆驾驶。
  然而,车辆停止后细看车身驱动部分,发现车轴与车身间有拳头大小的空隙,而除了支撑车轴的接头与悬吊系统,却找不到任何与车身相连接的线路。这其中的“空隙”令人觉得有些不寻常。
  车身与车轴之间没有任何连接点却可以驱动马达?本项目组负责人藤本博志副教授表示:“如果提高电压,时速可以达到75公里”,实际上这是利用了无线传输提供足够能使汽车行进所需的电力。

試験場でのワイヤレス インホイールモータ搭載車の走行試験の様子。通常の自動車よりも音は静かで走りもなめらか。

在实验所,装载了“无线供电轮内马达系统”的车辆在进行行驶测试。较一般的汽车更安静,行驶也稳定顺畅。

轮内马达的优势

成功开发的无线供电轮内马达系统规格
最大输出功率 6.6kW(后二轮)
最高速度 40公里/小时 ※
最高加速度 0.14G
功能 反馈制动可能

※根据马达设定电压可达75公里/小时
 而装设四轮时可达105公里/小时

  在电动汽车产业,很早就开始研发车轮内装配马达的“轮内马达”技术。由于马达动力直接传达到车轮,具有高传输效率的优势。如果根据四个车轮各自状况来进行控制,就可以降低耗电量,并提升续航距离。而且,还能防止横滑等事故。此技术确保了安全与节能两个层面,若称其为未来的技术,也不为过。

  而长期以来阻碍了轮内马达实际应用的问题,则在于连接马达与电池的供电电缆与信号线的断线。理所当然,对于汽车来说,安全第一。因此车辆零件的使用年限规定为十年以上。从这点来看,电缆是多么的脆弱啊。行驶中的车辆根据路面起伏,使车身不规则地振动,并溅去碎石。即使在遇雪结冰的路面,或受到阳光暴晒的柏油路上,也必须安稳地前行。要开发出在这些严酷的情况下,仍要保证绝对不会断线的电缆是非常困难的。

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  藤本在脑中浮现这个问题时,突然想到:“既然这样,那么何不放弃使用电缆供电?”。例如使用互联网的Wi-Fi,若能在电池与轮内马达之间以无线方式供应电力,就不再需要电缆。

传统的轮内马达系统,用电缆来连接电池与驱动马达,但行驶中车轮剧烈的振动,可能会使电缆断线,因此此系统没能实际应用于普通汽车。而“无线供电轮内马达系统”不使用电缆,通过供电线圈与接收线圈,采用无线方式传输电力,来解决此问题。

  因此,他立即邀请了研究无线供电传输系统的居村岳广助理教授参与项目。并于2012年秋天开始,在东洋电机制造,日本精工两家公司的协助下,开始了对这套“无线供电轮内马达系统”的研发。

(左)タイヤから出た銀色の部分に従来の自動車の駆動装置がコンパクトに集約されている。(右)送電コイルと受電コイルの間は約10センチの距離がある。このコイルのまわりに磁界を生成しているが、まわりの金属部分からの悪影響がないように設計している。

(左图)将传统汽车的驱动装置紧密集中于车轮凸出的银色部份。(上图)供电线圈与接收线圈之间约有10厘米距离。此线圈周围虽会产生磁场,但被设计为不会受到周围金属引起的不良影响。

磁共振耦合与SiC转换器

  经历了研究必经的几番波折后,终於完成这套电动车模组的雏形,在2015年5月18日举行的车辆行驶测试与记者招待会,吸引了众多媒体前来采访。
  在这次展示的技术中,重点就是通过无线供电来驾驶车辆。通过无线供电系统传送电力给停止中的电动汽车电池的技术,是原来就有的。但是,藤本副教授表示:“如果需要从行驶中的车身传输电力至车轮,且通过此电力来使马达运转,就大幅提升了实现难度。”

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团队已开始进行通过铺设于高速公路下的供电线圈,直接供电给“无线供电轮内马达系统”的研究工作。

 而使其成为可能的是,被称为“磁共振耦合”的供电方式与SiC转换器的控制技术。
首先,如前所述,因行驶中的车轮不规则的振动,使得供电线圈与接收线圈的位置不断错位。为了解决此问题,利用了居村助理教授所研究的技术成果。在供电端与接收端两侧装设共振电容器,使其共振,即使线圈间相距10厘米以上,也可达到功率90%以上的高效能供电。

  另外,一旦当供电电力较消耗电力更大时,马达会将多余的电力储存于电容器内,使得电容器的电压上升;相反,供电电力较消耗电力微弱时,电容器电压就会下降,并使汽车无法动弹。换言之,马达所供应的电力必须恰到好处,且保持稳定的电压。而这些功能可通过被称为SiC转换器的电流回路,来控制电力接收端而得以实现。
  再者,电动汽车具备减速时马达进行发电的再生制动功能。由此产生的电力必须被传输至车身。因此使用送电端与接收端的对称回路,来实现双向传输电力。

无线传输技术扩展电动汽车行驶

研发团队的核心成员。藤本副教授表示:“不仅仅是东京大学,因为是和东洋电机制造,日本精工等厂商一起的共同研发团队,才得以实现利用实际车辆进行测试。”

  藤本说道:“如果能改良此无线供电轮内马达系统,电动汽车在驾驶中,也可通过埋在马路下的供电线圈一边充电一边行驶。如果此技术获得实现,只要事先充好从自家到高速公路入口部分的电力,之后则可持续不断地驾车行驶。”
  藤本所说的这种路面无线充电技术,今后应该会更加受到瞩目。英国政府也声称将于年底前进行实证测试。另外,日本已开始进行初步实验,而韩国最近针对部份路线,开始了用于实证测试的公交车运行。
  相信即使在供电线圈与接收线圈的相对位置不断错位的情况下,有了这项可掌控供电电力的技术,电动汽车的发展将迈向一个新台阶。而此技术的未来发展今后也将备受瞩目。

东京大学
新领域创成科学研究所
堀・藤本研究室

地址:千叶县柏市柏之叶5-1-5
电话:04-7136-3873(研究室)
http://hflab.k.u-tokyo.ac.jp/

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