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超级电容器汽车--“没有电池的电动汽车”如何行驶？ |
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| http://cn.newmaker.com
6/4/2012 10:42:00 AM
日经能源环境网
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从减排二氧化碳、保护环境的角度出发，汽车行业正在进行从汽油向电力的巨大转变。不过，电动汽车具备汽油车无法模仿的各种特技。通过充分发挥这些特技，我们的生活方式或许会发生巨大变化。本文介绍东京大学新领域创建学研究科尖端能源工学专业教授堀洋一正在努力研发的没有电池、以无线方式补充能源的电动汽车（EV）。
“爷爷年轻的时候，有一种叫加油站的地方，汽车必须三、四天到那里加一次油，否则便不能行驶。”——
十几年后，或者几十年后，人们或许会忘记加油站的存在。在加油站逐渐减少的同时，目前以东京都内为中心，开始设置电动汽车充电桩及电池更换站。
不再需要充电桩了！？
“不过，在市中心或许连这些装置也无需设置。”
这样说的，是东京大学新领域创建学研究科尖端能源工学专业教授堀洋一。堀教授目前正在致力于研发“没有电池的电动汽车”。而且，这是一种以无线方式供应能量的独特方式。
目前，从通过减排二氧化碳保护环境的角度出发，汽车行业开始进行从汽油向电力的巨大转换。因此，世界各国在开发优异的蓄电池方面展开了激烈竞争。主角是“能量密度”较高的锂离子电池。能量密度表示相对放电电压和蓄电装置体积的蓄能容量。例如，三菱汽车公司的电动汽车“i-MiEV”目前也已配备了总重量为200kg的锂离子电池。
i-MiEV备有两种系统，分别为利用车辆配备的车载充电器，通过普通家用交流200伏特或100伏特的插座进行充电的普通充电系统，和利用今后将在各处建设完善的快速充电器的快速充电系统。
充分利用超级电容器
不过，充电时间是一个问题。最高时速为130公里，每充电一次的续航距离最长为160公里（不使用车载导航仪和空调时）。汽油车加满油的续航距离为400～500公里，这样算来，必须以3倍以上的频率供电。然而，如果想充满电，普通家用电源需要充电8小时以上，即使使用快速充电器，也需要花费30分钟时间。
因此，为了减少供电次数，只能开发能量密度更高的蓄电池，或者配备大量蓄电池。前者只能寄希望于开发，而采用第二个方法，会使得车身变重，能源效率下降。
要普及电动汽车，重中之重在于怎样才能简单迅速地供电。其中一个解决方法，就是堀教授提出的电动汽车。
与原有电动汽车相比，很大的不同之处在于储存电力的蓄电装置不使用电池，而是使用名为“超级电容器（Capacitor）”的电气部件。
超级电容器是用于多种电气产品的电子部件“电容器（Condenser）”的一种。正负电极成对，通过使电荷滞留于此来储蓄电能。其中采用“双电层”结构的超级电容器具有容量大的特点。
可进行100万～200万次充放电 
右侧银色的为双层电容器。将多个双层电容器组合起来放入左侧的白色容器中，构成蓄电装置。
超级电容器可在几十秒之内完成充电，而且反复充放电也不会出现劣化。这很有可能在很大程度上改变电动汽车常识。
在电池内部发生化学反应的同时进行充放电的锂离子电池除了充电时间较长之外，随着充放电次数的增加，会逐渐劣化。充放电次数的极限是1000～2000次。如果现在投入实用的电动汽车锂离子电池每天都反复进行充放电，据计算使用寿命只有3年左右。
但不发生化学反应的超级电容器可反复充放电100万～200万次，所以可以半永久性使用。而且，与锂离子电池不同，超级电容器还具有可通过端子间的电压正确测量剩余能量的优点。
堀教授主张：“由于每天需要反复充电多次，因此具有较长的使用寿命、可进行快速充电是非常重要的。从这一点来看，不发生化学变化的超级电容器可以说是最合适的。”
锂属于与铁和铝等相比产出量较少的“稀有金属”。而且，原料依赖进口，将来有可能无法确保稳定供应。电容器中，依赖这种稀有金属的部材较少，可以说是很适合“资源小国”日本的蓄电装置。
像电车一样的能源供应方法
不过，超级电容器也有致命的弱点。那就是，能量密度较小。
以现在的技术，超级电容器的能量密度仅为锂离子电池的十分之一左右。例如，堀教授开发的超级电容器电动汽车“C-COMS”，如果充满电之后以时速40公里的速度行驶，10～20分左右电便会被用光。
可用于蓄电装置的超级电容器未能成为电动汽车领域的主角，原因就在于此。
不过，堀教授认为：“抛弃之前的固定观念，便能发现超级电容器的巨大潜力。”这里所说的固定观念，是指“电动汽车应尽可能多配备能源，延长续航距离，以不输于汽油车”的想法。
堀教授以电车为例进行了说明：“几乎所有电车的续航距离都是零。之所以能够行驶，是因为电车能够通过架设的电线持续取得能量。汽油车配备有油箱，必须经常加油，但电动汽车可以像电车一样供给能量。”
虽然在道路上架设电线不太现实，但如果能够在没有供电的情况下行驶10～20分钟，便可退而求其次，这就是“频繁充电”。
堀教授说：“100伏特、10～15安培左右的电源，市内随处可见。可以将其用做电动汽车的基础设施。”
利用“磁共振方式”，即使相距1米也可高效供电
当然，每行驶10分钟就停下车充电并不现实。所以堀教授比较看好“无线供电”。正如其名称一样，也就是供电时无需电源线和接点。只需将汽车停在供电装置附近，即可为超级电容器充电。
实际上，无线供电在我们生活中已经得到一定程度的应用。大家应该都很熟悉没有接点的充电式小家电。比如电动牙刷、电动剃须刀及游戏机遥控器等。
不过，由于这些利用的都是“电磁感应”原理，因此不适合像电动汽车一样的大容量装置。
这是因为，该方式必须将充电器与家电的两个线圈靠得非常近才能进行充电。例如，应用于手机时，要使直径为几厘米的两个线圈接近到1厘米之内。而且，如果偏离规定位置几毫米，传输效率便会大幅下降。
不过，2006年到2007年有了一个重大发现。美国麻省理工学院（MIT）公开了名为“磁共振方式”的新无线供电技术理论。
可在等待信号灯的时候进行充电
磁共振方式最大的特点在于，线圈位置即使相距1米之遥，也能够进行高效率无线供电。也就是说，在位置方面不需要高精度。而且，还可进行选择性供电，仅为特定设备输送电力。
“采用这种方式，便能够以无线方式频繁为电动汽车充电！”
产生这种直觉的堀教授也开始进行无线供电研究。目前已成功实现在相距50厘米～1米的线圈间输送电力，传输效率也达到了95％。今年，堀教授计划在超级电容器电动汽车C-COMS上配备无线供电系统，开始进行实验。
如果无线供电系统能够实用化，超级电容器电动汽车的可能性将进一步扩大。
例如，如果将充电装置设置于十字路口的路面上，便可在等待信号灯的时候进行充电。或者把路边作为充电处，仅用不到一分钟即可“充满电”。由于可在行驶过程中充电，因此还考虑设置几百米的“充电车道”，使车辆在此处缓慢行驶充电。
堀教授说“采用‘自动检票’方式，自动向进入供电系统的车辆收费的方法不知是否可行。如果能够得以实现，就会变成‘能源版自动交费系统（Electronic Toll Collection System，简称ETC）’。”
无需跑完撒哈拉沙漠
在考虑使超级电容器电动汽车实现实用化时，需要大幅改变原先对汽车所持的印象。这是因为，有些人看到这种电动汽车，会说“这不能用于农村和沙漠”。
堀教授笑着称：“不可能开着这种车去撒哈拉沙漠。”他表示：“以往汽车厂商要开发的汽车，是不管是城市或沙漠，力争具备在任何地方都能行驶的性能。不过目前已经到了改变这一想法的时候。”
堀教授的意思绝不是把现有的所有汽车全部换成超级电容器电动汽车。他设想的是用于市内移动用途。这是因为，电容器电动汽车无法以时速100公里的高速行驶，而且还需要进行基础设施建设。
关于这一点，堀教授也对照指出了电车和汽车的不同之处。
看一下“阿尔卑斯登山铁路”及“东方快车”就能明白，铁路本来就是极具地方特色的交通工具，并不是全球共通的。也就是说，如果在沙漠中行驶，续航距离较长、最高时速在100公里以上的汽油车比较合适，但如果每天行驶20公里、时速为几十公里左右，应该有更合适的选择。我们将进入根据用途及目的分别选择合适车辆的时代。
最后，堀教授又谈了汽车的未来：
“电动汽车的精髓，实际上是马达。因此，继‘超级电容器’和‘无线供电’之后，‘控制’问题也将随之而来。也就是说，马达、超级电容器和无线供电这三者今后将使汽车世界发生巨大变化。”
关于堀教授所阐述的电动汽车的精髓——马达控制，将在下章进行详细介绍。 （《日经商务在线》特约撰稿人：山田久美）
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