电动汽车何时能够“边跑边充”？

 图片来源:Electrek指南

最近，小米正式宣布了他的手机“远程充电”技术。这种技术可以对充电装置半径几米内的手机进行充电，即使被异物阻挡，也不会降低充电效率。与以前通过基座进行无线充电的方式相比，空间充电技术赋予了更多的充电自由。这时我们不禁会想，这项技术什么时候能应用到电动车上，让车辆“边跑边充”。本文将介绍电动汽车动态无线充电的研究现状、关键技术、难点及未来展望。

作者简介:

施炳坤，清华大学车辆与交通学院2017级直系学生，电动汽车无线充电专业。

党健，清华大学车辆与交通学院2018级直系学生，专业为无线充电和质子交换膜制氢。

李，清华大学车辆与运输学院的直接学生，主修自动驾驶决策。

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电动汽车无线充电的研究现状

     随着能源和环境问题日益突出，电动汽车的发展和普及变得越来越重要。但随着电动汽车的技术发展和市场拓展，其缺陷也逐渐暴露出来:【/s2/】安全性好、动力好、寿命长、容量大的车用动力电池逐渐成为续航里程长的电动汽车[/s2/】目前高认可度的锂电池也存在成本高、安全性有限、容量有限等问题，尤其是纯电动汽车。近年来，研究人员不断提出无线电力传输(WPT)作为电动汽车电池充电的可行方案。WPT不仅解决了电动汽车的充电问题，也为电动汽车用户提供了极大的便利。与传统的有线充电方法相比，WPT省去了复杂的电缆和充电枪，避免了有线充电中的一些问题，如漏电等危险情况。根据能量传输时汽车是否处于行驶状态，无线能量传输可分为固定和移动两种。基于这两种能量传输模式的充电技术分别称为静态无线充电和动态无线充电，如下所述。

【/s2/】静态无线充电:指电动车停车时可以充电的方案。与传统的有线充电相比，在实现全自动化的同时，可以大大增加电动汽车的充电机会，而且在电磁辐射安全的情况下几乎没有风险。【/s2/】在结构上，固定式无线能量传输系统的磁耦合器多采用平板型，即发射板通常安装在地面上，其上下高度位置设计成可调的，以适应不同底盘高度车辆的充电，能量接收板安装在汽车底盘的前端或后端。为了防止漏电等危险事故，通常需要在发射板外包裹塑料或橡胶，并设计金属屏蔽层来解决电磁辐射。此外，该板还包括具有磁导率的磁性材料(铁氧体)，如图1所示。图2示出了典型的固定无线能量传输系统的整体结构。在整个传输系统中，充电站与汽车之间的通信系统也是极其重要的一部分。

 图1 固定式无线能量传输发射平板结构  （A线圈，B铁氧体，C金属屏蔽层）  图片来源：[5]    图2 一种典型的固定式无线能量传输系统的整体结构  （A接收平板，B车端电力电子变换，C车端电池充电连接，  D指示面板，E供电模块，F发射平板）图片来源：[5]   

      目前国内外多家汽车公司生产的电动汽车都具备静态无线充电功能。奥迪公司于2017年推出的Audi A8Le-tron概念车，发布会上确认其搭配了静态无线充电技术，这是奥迪第一款配备无线充电技术的车型，无线充电功率为3.6kW，效率为90%。此外，许多车企都为其高端车型配备了无线充电技术，如奔驰S550e，宝马53系列中的BWM-530Ie。在国内，上汽集团于2018年发布了全球首款搭配无线智能给电系统的量产车荣威Marvel X，且近年来多款量产车型都将无线充电作为一个卖点。  图1 固定式无线传能发射板结构  (A线圈、B铁氧体、C金属屏蔽)  图片来源:[5] [/]奥迪2017年推出的奥迪A8Le-tron概念车在发布会上确认搭载静态无线充电技术。这是奥迪首款搭载无线充电技术的车型，无线充电功率3.6kW，效率90%。此外，许多汽车公司已经为其高端车型配备了无线充电技术，如宝马53系列中的奔驰S550e和BWM-530Ie。在中国，SAIC于2018年发布了全球首款带无线智能供电系统的量产车荣威漫威X。近年来，许多生产模式都将无线充电作为卖点。

      动态无线充电:为了进一步解决电动汽车续航里程有限的问题，移动无线能量传输，即动态无线充电，已经成为一种较好的能量传输方案。【/s2/】其基本原理是电能通过埋在地下的供电导轨以高频交变磁场的形式传递到地面上一定范围内的车辆接收端的电能拾取机构，然后向车载储能设备供电。根据发射端的不同，可分为集中式和分段式供电导轨方式。【/s2/】理论上，当道路有足够的充电机会时，汽车可以在行驶过程中随时给电池充电，从而实现“无限续航”；更显著的效果是，可以在不增加电池容量的情况下，提高电动车的续航里程，避免电池容量带来的一系列问题。当然，动态无线充电系统更复杂，成本更高。需要在汽车行驶的路面下铺设较长的供电导轨，并在导轨上安装一系列连续的发射板。

 图3 动态无线充电系统，左侧为集中式供电模式。右为分段供电模式   图片来源:[4]    电动汽车动态无线充电系统主要包括地面目前国际上动态无线充电技术的发展水平如图。可见橡树岭国家实验室(ORNL)和韩国科技学院(KAIST)在技术上处于领先地位。

 图4国际知名研究机构动态无线充电技术发展现状 图片来源:[4]    /[]对ss和SP谐振配置的能量传递进行测试研究。实验表明，速度共振结构具有更好的失调容限和更宽的可用几何范围。橡树岭实验室的下一个目标是开发一款50kW的无线充电器，可以为大型车辆提供无线充电功能。

 图5:基于丰田RAV4 EV  的动态无线充电KAIST台架图片来源:[5]    ]。在随后的几年里，先后提出了六代充电导轨结构。【/S2/】2013年，龟井市两条无线充电公交线路投入运营，里程24公里。电动汽车底盘与沥青地面的距离保持在17厘米，连续接收100千瓦电力，效率为85%。

 图6 KAIST无线充电路图片来源:[2]  国内高校也开展了动态无线充电技术的研究。2017年，哈尔滨工业大学与国家电网公司合作，在张家口张北县建设了一条180米电动公交车动态无线充电实验线。系统采用2.4m分段发射轨级联方式，由四根发射轨组成一组，每组由一套电源独立充电。【/s2/】这条测试线的输电距离为20 cm，最大偏差距离为40 cm。试验车以40km/h的速度行驶时，可达到20kW的功率，总效率高于85%。

 图7北县动态无线充电示范线 图片来源:[3]02

动态无线充电的关键技术

电动汽车动态无线充电技术涉及电力电子、电磁设计、储能系统、车辆系统等多学科技术，包括以下几个方面:

【/s2/】能效问题分析:【/s2/】对于电动汽车的无线充电系统，传输距离、传输功率和系统效率是三个关键技术指标，与这三个指标相关的问题称为能效问题。与此相关的研究热点有:电路理论分析、谐振电路设计、电磁设计(如线圈和磁芯设计)等。所有这些都旨在实现一种高效率、高速度和强抗偏移的充电系统。

电力电子技术:无线电力传输基于高频交流电。要将工频交流电源转换成高频交流电源，必须依靠高频电源转换和控制技术。实现高频、大功率、高效率、稳定的电能转换对整个系统有着至关重要的影响。

无线通信技术:为了实现动态充电的控制，需要低延迟的快速通信。例如，专用短程通信(DSRC)是一种低延迟通信的解决方案。

【/s2/】动态控制技术:【/s2/】研究表明，当线圈的相对位置关系发生变化时，最大功率和最大效率频率也会发生变化。如何使系统在复杂的变化中尽可能实现高效稳定的充电，是驾驶充电理念面临的一大挑战。与此相关的是能量传输、动态响应、功率传输定时等的鲁棒控制。

【/s2/】电磁环境安全问题:【/s2/】由于无线充电系统的工作频率一般在几十kHz到几MHz的范围内，所以电压和电流随时间的变化率非常大。高频电磁振荡成为电磁干扰源，不仅会干扰外界，还容易影响系统本身。因此，系统的外部电磁干扰和自身的电磁抗扰度形成了电磁兼容问题。暴露在WPT系统的电磁辐射下，生物是否会受到不利影响，应采取什么防护措施也是目前研究的重点。此外，当外来金属处于电磁场中时，也会产生感应电流，导致金属温升，这也是一个不可忽视的安全问题。

电动道路问题:如何低成本、高效地实现道路电气化，从而充分发挥动态无线充电的优势，是动态无线充电实用化阶段的重要问题。

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动态无线充电的难点

     与静态无线充电相比，动态无线充电技术主要有三个研究难点:

第一，效率。【/s2/】目前静态无线充电的效率堪比有线充电，达到90%以上。然而，由于许多其他因素，移动能量传输的效率难以提高。

第二，控制。【/s2/】除了一般无线能量传输系统的谐振控制、输出功率控制和恒流控制外，静态无线充电的控制在一定程度上只涉及两个线圈或极板，功率电平往往是恒定的，因此控制相对简单；在动态无线充电中，汽车的位置在行驶过程中不断变化，汽车上的接收板与供电轨上的不同板耦合。为了将功率损耗降至最低，需要控制不同的平板开关。此外，在实际应用场景中，供电轨需要随时调整接收板的功率水平，以适应不同的车辆进行充电。

第三，成本。【/s2/】建立电动汽车动态无线充电的供电导轨，需要大量的电力电子器件和复杂的导轨结构，需要大量的人力物力对供电导轨进行定期维护。静态无线充电由于结构紧凑、形状简单、平板数量多，比动态无线充电便宜很多。有研究对移动无线能量传输的潜力进行了评估，通过理论模型得出随着动态无线充电功率水平的提高，构建系统的成本会降低，并指出未来动态无线充电会比增加电池容量给用户带来更明显的好处，如图8所示。

 图8 与10年电池价格涨幅相比，  电池价格按100美元/千瓦时  /[/k0////。

总结和展望

虽然目前电动汽车的动态无线充电技术还处于实验室阶段，无法投入批量生产，但毫无疑问，动态无线充电技术具有很大的实用价值和市场前景。2016年，“电动汽车无线充电技术突破”被列入国家能源局发布的《能源技术革命与创新行动计划(2016-2030)》政策文件。动态无线充电技术有望率先在自动驾驶技术等特定场景和车辆中实施，如公交车、公交车等固定路线的公共汽车，或在高速公路、港口运输的车辆。【/s2/】图9为英国动态无线充电试验路。未来，当动态无线充电技术逐渐成熟，成本降低时，电动汽车将能够实现“边跑边充电”，我们真正有可能彻底摆脱出行时的里程焦虑。

 图9:英国电动汽车动态无线充电高速公路项目，图片来源:Google pictures    参考文献

赵、刘芳、。引用该论文王志平，王志平，王志平.电气技术杂志，2016，31(20):30-40。

谭、张伟、、。引用该论文王志平，王志平，王志平.智能电源，2020，48(04):42-47+111。

王德安。 电动汽车动态无线充电及位置检测关键技术研究[D]。广东工业大学，2020。

[4]潘查尔C，斯泰根S，卢杰.静态和动态无线电动汽车充电系统综述[J].工程科学与技术国际期刊，2018，21(5)。

[5] 党建。 移动无线能量传输系统磁耦合器配置研究(本科论文)[D]。 清华大学，2018。