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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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東京大學崛洋一教授 揭開電動車新趨勢

口述/堀洋一 整理/張舜芬

東京大學新領域創建學研究科、尖端能源工學專業的堀洋一教授,學士、碩士與博士學位皆於東京大學攻讀完成,目前與藤本博志副教授共同主持「堀・藤本實驗室」,此次堀洋一(Yoichi Hori)來台演講的主題是「百年後的汽車:馬達/電容/無線」,以下將以第一人稱呈現精采內容。

一百年後我們很可能都不在這個世界上了,但是我認為,百年後的汽車引擎會被取代,不再需要電池,加油站會消失。

電動車電力續航過短,是許多人關注的議題,也因此投入許多資源進行更高效率、更高容量電池的開發。但我反對電池,我認為應該透過基礎設施傳輸電力,在此無線電力傳輸技術就更顯重要;而且相較於鋰電池,超級電容器(capacitor)就足以儲存短程使用的能源。以電車為例,幾乎所有電車的續航距離都是零,因為電車能夠通過架設的電線持續取得能量,平穩地行駛數百、數千公里。

隨時隨地低成本充電的電容式電動車

搭載超級電容器的電動車,充電方式好比用感應式卡片(像是東京都內的 Suica)進出地下鐵車站閘門,而且卡片裡面的押金門檻愈來愈低,因為新科技已經可以做到自動加值,就像電容器一樣容量不需要很大。也有人提出可以將電動車聯網充電,但我反對這種作法,因為鋰電池的壽命會快速削減,只能使用2、3千次,約2到3年,而且電池不耐用易造成消費者糾紛。

現有的電動車充電設施,鋰電池大約充電5分鐘就可以行駛 40 公里、10分鐘可以行駛 60 公里。但一次要充多少電才足夠呢?譬如高速公路可能間隔 100 公里才有充電點,充電設施的電力可能必須要達到 5,000 千瓦,非常驚人,我認為這樣是很沒有效率的作法。100伏特、10~15安培左右的電源,市內隨處可見;我們可以在便利商店、購物商場架設小型供電點,不必修建大型鋰電池充電站,而且一般電力使用1小時也才1塊錢日幣,非常便宜。

未來的充電設施,可以建得像百貨公司公廁一樣時髦舒適、隨處可見、有需要立即可用、而且幾乎免費。也就是說,未來我們不需要可以一口氣橫越撒哈拉沙漠的車輛,因為隨時隨地都可以快速充電,電動車有朝一日將如同電腦一樣普及。

磁共振無線供電 邊等紅燈邊充電

超級電容器能量密度較小,僅為鋰離子電池的十分之一左右;我開發的超級電容器電動汽車「C-COMS」,充滿電之後以時速40公里的速度行駛,10~20分左右電便會被用光。若要讓搭載超級電容器的電動車隨時隨地快速充電,便需仰賴無線供電科技。

其實無線供電在我們生活中已經隨處可見,譬如電動牙刷、電動刮鬍刀等。不過這些都算是「電磁感應」,必須將充電器與家電的兩個線圈靠得非常近,才能進行充電,如果偏離規定位置幾毫米,傳輸效率便會大幅下降。

但如果以「磁共振方式」供電,即使相距1米也可高效供電;大約是 10 MHz,功率可達 95%。舉例來說,即使距離 20 公分,燈泡也可接收磁共振板的電能發亮。隨著技術演進,距離逐漸拉長也一樣可以接收電力,另外如果把天線重複排列,也可以延長傳輸距離。

我的實驗室目前已成功實現在相距50釐米~1米的線圈間輸送電力,傳輸效率達到了95%。如果中間放入線圈,還可延長傳輸距離,線圈也可以直擺。我們也和日本政府的國土交通省共同執行研究計畫,想了解電動車行駛的路面,充電裝置應該裝在哪裡比較合適。未來,像是北海道公路兩旁的充電裝置,都會由無線天線取代。

實際在車輛上的應用,包括Toyota PHEV 公車,充電時是停靠在裝有充電線圈的停車格上。另外, Nissan Infinity 也在 2012 紐約車展發表全新電動車款,充電板具有時尚外型,安裝在路邊即可隨時充電; Nissan 也宣布將布建5萬組充電裝置,進一步讓電動車通行無阻。

南韓「韓國高等科學技術研究院」(KAIST)最近開始測試1條長12公里的「充電馬路」,今年我也已經到龜尾市實地參觀過。電公車一邊開,地底電纜一邊就能為車子充飽電,這是全球首見。充電馬路路面看不到電纜線,也不用架設車頂電纜,停車5分鐘可以充 100 千瓦。

這種「線上電動車」(OLEV)使用的是所謂「形磁共振」(Shaped Magnetic Field in Resonance)技術,車底配備感應線圈,可將取自地下饋電條的電磁轉換成電能,用以驅動車子,或將電力儲存在電池裡。這種公車所需的電池僅有傳統電動車的五分之一大,饋電條也只需舖設在部分街道之下;適用充電馬路系統的車子,只要設備相容就可以開上充電馬路。

精準操控馬達 節能穩定

電動車技術的核心,實際上是馬達;馬達可以利用電壓、電流、轉速等資訊,確實監控能源效能。橡膠輪胎雖然使汽車不會在路面上打滑,路面與輪胎之間的摩擦卻也大幅降低能源效率;如果能進行較好的控制,輪胎再細也不會打滑。 譬如新幹線的軌道和車輪均由鐵製成,卻仍能以時速300~400km的速度持續行駛,就要歸功於馬達對車輪進行的高度控制。當車輪旋轉力過大,將要出現空轉,就要減小旋轉力;剎車時,則是在車輪鎖定前降低制動力。通過這樣的操作,本來易於滑動的軌道與車輪能夠緊密黏著,亦即「黏著控制」。

如果想進一步提高輪胎的控制性能,其實可以在每個輪胎上安裝馬達進行獨立控制。這樣的作法不會帶來成本上太大的負擔,在提高汽車穩定性之餘,也加強乘坐舒適性及安全性[註1]。

採用輪內馬達 [註2] 直接驅動車輪,最明顯的好處是動力傳輸的路徑大幅縮短,能量損失減少,傳輸的效率相對也大幅提高。除了動力傳輸效率之外,輪內馬達也可以減少大量傳動元件,省下成本、重量之外,更讓車室內空間加大,設計的自由度大幅提高。

如果4個車輪都安裝了輪內馬達,就變成4WD四輪驅動車,各個車輪的動力完全獨立控制。四輪獨立動力控制可以透過軟體設定,不需要像傳統機械式的傳動系統,得靠差速器複雜又有些勉強地對車輪作動力分配。

輪內馬達在汽車應用上,日本三菱汽車Mitsubishi Motors相當積極,他們選擇輪內馬達和鋰離子電池作為下一代電動車開發的兩項核心技術。早在2007年三菱汽車就已經發表了一款MIEV概念車,全名是「三菱輪內馬達電動車(Mitsubishi In-wheel motor Electric Vehicle)」。不過我認為鋰電池在結構上仍具有危險性,超級電容器加上無線供電,再輔以馬達控制技術,才應該是未來電動車的主流,如此百年後的汽車必定會實現環保、安全、穩定的承諾。



【註1】:輪內馬達的技術,目前被批評的缺點之一就是因為未懸載質量(unsprung mass) 增加,可能導致舒適度降低,但是堀教授認為舒適性應不減反增。
【註2】:工研院2011年發表了一款「超薄型輪內馬達」,重量僅僅2.1 公斤、厚度1 英吋,單位重量產生的扭力有6Nm/kg,算是非常先進的技術,目前主要的應用對象是電動自行車。目前工研院的研究團隊正繼續開發電動機車使用的薄型輪內馬達,希望擴大技術的應用層面與影響力。

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