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不久後在高速公路行進中也可以充電!?

大幅改變汽車未來的
「無線供電輪內馬達系統」

採訪撰文攝影/JQR編輯部 翻譯: 王薏婷

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在後輪裝設「無線供電輪內馬達系統」的實驗用車。

藤本博志先生
東京大學新領域創成科學研究所副教授、日本自動車技術會電氣動力技術部門委員會主任委員。進行控制工程學、運動控制學、電動汽車運動控制、馬達與變頻器的高機能控制以及無線供電系統等相關研究。

有將驅動馬達裝載於車輪輪軸的輪內馬達(in-wheel motor)方式為電動汽車的技術之一,這種方式雖然具備不需要差動齒輪(differential gear)與驅動軸(drive shaft)等很多優點,但其困難之處在於連接電池機構至驅動馬達的供電電纜─由於脆弱的電纜容易斷線,若在行進時電纜斷線,車輛就會失去控制。為了解決此問題,以東京大學新領域創成科學研究所為中心的研究團隊,開發了「無線供電輪內馬達系統」。以下內容為編輯部採訪於8月4日車輛行進測試之際。

進入千葉縣柏市的東京大學新領域創成科學研究所,位於校園內的實驗所後,立刻看到一台後輪裝設「無線供電輪內馬達系統」的電動汽車。駕駛於車內踩油門後,露出後輪驅動部位的粗曠外觀車子順暢地開始行進。由於在大學校園內行進,因此將時速控制於每小時30公里,而電動汽車所產生的噪音也不甚大,恰如一般常見行進中的車輛。
  然而,煞車時乍看車身驅動部位,發現輪軸與車體間有拳頭大小的間隙,而除了支撐輪軸的傳動接頭與懸吊系統,卻找不到任何與車身相連接的線路,這其中的「間隙」令人覺得有些不尋常。
  車身與輪軸之間沒有任何串接點卻可以驅動馬達?本專案主持人藤本博志副教授表示:「若提高電壓,可使時速達到75公里」,實際上此乃利用無線傳輸提供汽車行進所需電力的方式。

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。

在實驗所中配載「無線供電輪內馬達系統」的車子於行進測試。較一般的汽車更安靜,行進間也極為穩定順暢。

輪內馬達的優勢

成功開發的無線供電輪內馬達系統規格
最大輸出功率 6.6kW(後二輪)
最高速度 40公里/小時 ※
最大加速度 0.14G
功能 反饋制動

※根據馬達設定電壓可達75公里/小時
 而裝設四輪時可達105公里/小時

  在電動汽車產業中,以前就開始有研發車輪內裝配馬達的「輪內馬達」技術。由於馬達動力直接驅動車輪,可實現提高傳輸效率的優勢。若四個車輪可根據各自狀況獨立控制,則可以降低耗電量,並提升續航距離;而且,亦能防止打滑等事故。此技術增加了安全與節能兩個層面,若說是未來的技術趨勢也不為過。

  而長期阻礙輪內馬達實際應用的問題,則在於連接馬達與電池的供電電纜與信號線的斷線。

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  理所當然,安全性乃是汽車的第一要務,因此車輛零件使用年限規定在十年以上,從這點來看,電纜是多麼脆弱啊!行進中的車輛受到路面起伏的影響使車身不時振動並碾過碎石,即使在遇雪結冰的路途,或受到日曬的柏油路,也必須安穩地前行,要開發出在這種嚴酷的情況下,仍要保證絕對不會斷線的電纜是非常困難的。

在傳統輪內馬達系統中,以電纜連接電池機構與驅動馬達,但行進間車輪劇烈的振動,可能會使電纜斷線,因此此系統並未實際應用於一般汽車中。而「無線供電輪內馬達系統」不使用電纜,透過供電線圈與接收線圈,藉由無線方式傳輸電力,解決此問題。

  藤本在腦中浮現這個問題時,突然想到:「那麼,何不放棄使用電纜供電呢?」,如同網際網路的Wi-Fi,若能在電池與輪內馬達之間以無線方式供應電力,就不再需要電纜。
  因此,他立即尋求研究無線供電傳輸系統的居村岳廣助理教授之協助,並於2012年秋天開始,與東洋電機製造、日本精工兩家公司共同研發這套「無線供電輪內馬達系統」。

(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。

(左圖)將傳統汽車的驅動元件緊密集中於車輪凸出的銀色部份。(上圖)供電線圈與接收線圈之間約有10公分距離。
此線圈周圍雖會產生磁場,但被設計為不會受到周圍金屬引起的不良影響。

磁共振耦合與SiC轉換器

  此番研究幾經波折,終於完成這套電動車模組技術,並於2015年5月18日舉行的車輛行進測試與記者會中,吸引眾多媒體前來採訪。
在這次展示的技術中,其重點是車輛可於行進間進行無線供電;而原本就有以無線供電系統傳送電力給停止中的電動汽車電池的技術,藤本副教授表示:「若必須從行進中的車身傳輸電力至車輪,且藉由此電力使馬達運轉,就大幅提升實現難度了。」
  使此技術成為可能的乃是稱為「磁共振耦合」的供電方式與SiC轉換器的控制技術。首先,如前述,因行進間的車輪不時振動,使得供電線圈與接收線圈的相對位置不斷錯位。為了解決此問題,利用居村助理教授所研究的技術成果;在供電端與接收端兩側裝設共振電容器,使之共振,即使線圈間相距10公分以上也可達到功率90%以上的高效能供電。

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團隊已開始進行透過鋪設於高速公路下的供電線圈,直接供電給「無線供電輪內馬達系統」的研究工作。

 另外,一旦在供電電力較消耗電力大時,馬達會將多餘的電力將會儲存於電容器內,使得電容器的電壓上升;相反地,供電電力較消耗電力微弱時,電容器電壓就會下降,並使車子無法動彈。換言之,馬達所供應的電力必須是適切、剛好的,且保持在穩定的電壓下,而這些功能可透過稱為SiC轉換器的迴路來控制電力接收端達成。

  再者,電動汽車具備減速時馬達會發電產生反饋制動的功能,在此產生的電力必須被傳輸至車身,故而使用送電端與接收端的對稱迴路,實現雙向傳輸電力的目標。

無線傳輸技術可擴大電動汽車行駛範圍

研發團隊核心成員。藤本副教授表示:「除東京大學之外,正因為還與東洋電機製造、日本精工兩間廠商共同開發此系統,才能以實體汽車進行測試。」

  藤本說道:「若能改良此無線供電輪內馬達系統,即使是行進間的車子也可透過鋪設於馬路下的供電線圈充電;若此技術獲得實現,即只要事先充好自家到高速公路入口部分的電力,之後則可持續不斷地使車子行進。」
  藤本所說的這種無線充電道路應用技術,今後會更加受到注目吧!英國政府發表將於年底前進行實際測試,另外,日本也已開始進行初步實驗,而韓國最近針對部份公車路線開始實際測試「充電道路」。
  相信即使在供電線圈與接收線圈的相對位置不斷錯位的情況下,若利用可掌控供電電力的此技術,電動汽車的發展將能邁向下一個階段,我們也無法忽視此技術的未來發展。

東京大學
新領域創成科學研究所
堀/藤本研究室

地址:千葉縣柏市柏之葉5-1-5
電話:04-7136-3873(研究室)
http://hflab.k.u-tokyo.ac.jp/

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