圖片來源：Electrek

導(dǎo)讀

近日，小米官宣自己的手機(jī)“隔空充電”技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在充電設(shè)備數(shù)米半徑內(nèi)為手機(jī)充電，甚至在異物遮擋也不降低充電效率。與之前借助底座進(jìn)行無線充電的方式相比，隔空充電技術(shù)給予了充電更大的自由度。此時我們不禁暢想，這項(xiàng)技術(shù)何時能夠用在電動汽車上，讓車輛實(shí)現(xiàn)“邊跑邊充”？本文將從電動汽車動態(tài)無線充電的研究現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)及未來展望方面進(jìn)行介紹。

作者簡介：

石秉坤，清華大學(xué)車輛與運(yùn)載學(xué)院2017級直博生，研究方向?yàn)殡妱悠嚐o線充電。

黨健，清華大學(xué)車輛與運(yùn)載學(xué)院2018級直博生，研究方向?yàn)闊o線充電，PEM制氫。

李惠乾，清華大學(xué)車輛與運(yùn)載學(xué)院2020級直博生，研究方向?yàn)樽詣玉{駛決策。

01

電動汽車無線充電研究現(xiàn)狀

      隨著能源問題和環(huán)境問題的日益凸顯，電動汽車的發(fā)展和普及變得越來越重要，然而，隨著電動汽車技術(shù)發(fā)展及市場擴(kuò)展，其缺陷逐漸暴露出來：安全性好、動力性好、壽命長、容量大的車用動力電池逐漸成為長續(xù)航里程電動汽車的必備條件。目前認(rèn)可度較高的鋰電池也存在著成本過高、安全受限、容量受限等問題，尤其是對于純電動汽車。近年來，不斷有研究人員提出將無線能量傳輸(wireless power transfer，WPT)作為用于電動汽車電池充電的可行方案，WPT的應(yīng)用在解決電動汽車充電問題的同時為電動汽車用戶提供極大的便利，相比傳統(tǒng)的有線充電方式而言，WPT取消了復(fù)雜的線纜和充電槍，也避免了有線充電中的一些問題，例如漏電等危險情況。按照能量傳輸時汽車是否處于行駛狀態(tài)可以將無線能量傳輸分為固定式和移動式兩種，基于這兩種能量傳輸方式的充電技術(shù)分別稱作靜態(tài)無線充電和動態(tài)無線充電，下面分別加以介紹說明。

靜態(tài)無線充電：指電動汽車可以在停車時進(jìn)行充電的方案，與傳統(tǒng)的有線充電相比較，它能夠在實(shí)現(xiàn)完全自動的同時大大增加電動汽車充電的機(jī)會，并且在電磁輻射安全的條件下幾乎沒有任何風(fēng)險。在結(jié)構(gòu)方面，固定式無線能量傳輸系統(tǒng)的磁耦合器形式多采用平板式，即發(fā)射平板通常安裝在地面上，其上下的高度位置設(shè)計(jì)成可調(diào)式以便適應(yīng)不同底盤高度的車輛充電，接收能量的平板安裝在汽車底盤的前端或后端。為防止漏電等危險事故，通常需要在發(fā)射平板外包裹塑料或者橡膠，同時設(shè)計(jì)金屬屏蔽層以解決電磁輻射，此外平板中還包括導(dǎo)磁的磁性材料（鐵氧體），如圖1所示。圖2展示了一種典型的固定式無線能量傳輸系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。在整個傳輸系統(tǒng)當(dāng)中，充電站與汽車之間的通訊系統(tǒng)也是極為重要的一環(huán)。

 圖1 固定式無線能量傳輸發(fā)射平板結(jié)構(gòu)  （A線圈，B鐵氧體，C金屬屏蔽層）  圖片來源：[5]    圖2 一種典型的固定式無線能量傳輸系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)  （A接收平板，B車端電力電子變換，C車端電池充電連接，  D指示面板，E供電模塊，F(xiàn)發(fā)射平板）圖片來源：[5]   

      目前國內(nèi)外多家汽車公司生產(chǎn)的電動汽車都具備靜態(tài)無線充電功能。奧迪公司于2017年推出的Audi A8Le-tron概念車，發(fā)布會上確認(rèn)其搭配了靜態(tài)無線充電技術(shù)，這是奧迪第一款配備無線充電技術(shù)的車型，無線充電功率為3.6kW，效率為90%。此外，許多車企都為其高端車型配備了無線充電技術(shù)，如奔馳S550e，寶馬53系列中的BWM-530Ie。在國內(nèi)，上汽集團(tuán)于2018年發(fā)布了全球首款搭配無線智能給電系統(tǒng)的量產(chǎn)車榮威Marvel X，且近年來多款量產(chǎn)車型都將無線充電作為一個賣點(diǎn)。

      動態(tài)無線充電：為了進(jìn)一步解決電動汽車?yán)m(xù)航里程受限的問題，移動式無線能量傳輸，即動態(tài)無線充電成為一種更優(yōu)的能量傳輸方案。其基本原理是通過埋于地面下的供電導(dǎo)軌以高頻交變磁場的形式將電能傳輸給地面上一定范圍內(nèi)的車輛接收端電能拾取機(jī)構(gòu)，進(jìn)而為車載儲能設(shè)備供電，根據(jù)發(fā)射端不同可以分為集中式和分段式供電導(dǎo)軌模式。理論上，當(dāng)?shù)缆返某潆姍C(jī)會足夠時，汽車可以隨時在行駛的過程當(dāng)中為電池充電，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“無限續(xù)航”；更為顯著的作用是，能夠在不增加電池容量的前提下提高電動汽車?yán)m(xù)航里程，由于電池容量帶來的一系列問題也得以避免。當(dāng)然動態(tài)無線充電系統(tǒng)要更加復(fù)雜，成本更高，需要在汽車行駛的路面下鋪設(shè)更長的供電導(dǎo)軌，在導(dǎo)軌上安裝一系列連續(xù)的發(fā)射平板。

 圖3 動態(tài)無線充電系統(tǒng)組成，左為集中式供電模式，右為分段式供電模式   圖片來源：[4]  

     電動汽車動態(tài)無線充電系統(tǒng)主要包括地面的導(dǎo)軌和安裝在電動汽車上的電能接受及轉(zhuǎn)換設(shè)備，其傳輸距離、效率、功率和有限充電距離等技術(shù)指標(biāo)均由二者共同決定，因而成為國內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)的主要研究內(nèi)容。動態(tài)無線充電技術(shù)的國際上目前的發(fā)展水平如圖所示。可以看出，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）和韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST）的技術(shù)處于領(lǐng)先地位。

 圖4 國際知名研究機(jī)構(gòu)動態(tài)無線充電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 圖片來源：[4]  

       2015年，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）在豐田電動車RAV4上裝備了20kW的無線充電系統(tǒng)，并進(jìn)行了動態(tài)無線充電的測試。測試研究了SS和SP兩種諧振構(gòu)型的能量傳輸，實(shí)驗(yàn)表明SP構(gòu)型容忍錯位能力更強(qiáng)，具有更寬的可用幾何范圍。橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室下一個目標(biāo)是開發(fā)出50kW的無線充電器，能給大型車輛提供無線充電功能。

 圖5：基于豐田RAV4 EV的動態(tài)無線充電測試臺 圖片來源：[5]  

      韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST）自2009年先后提出了不同的電動汽車動態(tài)無線充電耦合機(jī)構(gòu)形式，并對動態(tài)無線充電系統(tǒng)中的磁路建模、電力電子、控制策略及經(jīng)濟(jì)型等方面進(jìn)行了深入的研究。之后的數(shù)年內(nèi)，先后提出六代充電導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。其中2013年在龜尾市的兩條無線充電公交線路投入運(yùn)行，里程24千米，電動車底盤與瀝青地面保持17厘米的間距，不斷接收100kW的電力，效率達(dá)85%。

 圖6 KAIST無線充電道路 圖片來源：[2]

      在國內(nèi)，各高校也先后開展動態(tài)無線充電技術(shù)的研究。2017年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)與國家電網(wǎng)公司合作建設(shè)張家口張北縣電動客車180m動態(tài)無線充電實(shí)驗(yàn)線。該系統(tǒng)采用2.4米分段式的發(fā)射導(dǎo)軌級聯(lián)方式，由4段發(fā)射導(dǎo)軌為一組，每組由一套電源進(jìn)行獨(dú)立充電。該試驗(yàn)線路電能傳輸距離為20厘米，最大偏倚距離40厘米，在實(shí)驗(yàn)車輛運(yùn)行速度為40km/h的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)20kW的功率，總效率高于85%。

 圖7 張北縣動態(tài)無線充電示范線 圖片來源：[3]

02

動態(tài)無線充電關(guān)鍵技術(shù)

電動汽車動態(tài)無線充電技術(shù)涉及電力電子、電磁設(shè)計(jì)、能量存儲系統(tǒng)以及車輛系統(tǒng)等多學(xué)科技術(shù)，具體包括以下幾個方面：

能效問題分析：對于電動車無線充電系統(tǒng)，傳輸距離、傳輸功率、系統(tǒng)效率是三個極為關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，有關(guān)這三個指標(biāo)的問題稱之為能效問題。與此相關(guān)有以下研究熱點(diǎn)：電路理論分析、諧振電路設(shè)計(jì)、電磁設(shè)計(jì)（如線圈和磁芯設(shè)計(jì)）等，其目標(biāo)都是實(shí)現(xiàn)高效、快速、抗偏移能力強(qiáng)的充電系統(tǒng)。

電力電子技術(shù)：無線電能傳輸建立在高頻交流電的基礎(chǔ)上。將工頻的交流電能轉(zhuǎn)換成高頻交流電能，必須依靠高頻電能變換和控制技術(shù)。實(shí)現(xiàn)高頻、大功率、高效和穩(wěn)定的電能變換對整個系統(tǒng)具有關(guān)鍵影響。

無線通信技術(shù)：為了實(shí)現(xiàn)動態(tài)充電的控制，低延遲的快速通信成為必須。例如，專用短距離通信（Dedicated Short Range Communication, DSRC）是低延遲通信的一種解決方案。

動態(tài)控制技術(shù)：研究表明，當(dāng)線圈相對位置關(guān)系發(fā)生變化時，其最大功率和最大效率下的頻率都會發(fā)生變化。如何在復(fù)雜的變化中盡可能使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的充電，是行車充電構(gòu)想所面臨的重大挑戰(zhàn)。與此相關(guān)有能量傳輸魯棒控制問題、動態(tài)響應(yīng)問題、功率傳遞時序問題等。

電磁環(huán)境安全問題：由于無線充電系統(tǒng)的工作頻率一般在幾十kHz到幾MHz的范圍，電壓和電流隨時間的變化率都很大。高頻的電磁振蕩成為一個電磁干擾源，不但會對外界產(chǎn)生干擾，系統(tǒng)自身也容易受到影響，所以系統(tǒng)對外的電磁干擾和自身的電磁抗擾度形成了電磁兼容問題。暴露在WPT系統(tǒng)的電磁輻射中，生物體是否會受到不良影響以及應(yīng)該采取怎樣的保護(hù)措施也是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。此外，金屬異物處在該電磁場中，還會產(chǎn)生感應(yīng)電流導(dǎo)致金屬溫升，這同樣是不可忽略的安全問題。

電動化道路問題：如何低成本、有效地實(shí)現(xiàn)道路電氣化，從而發(fā)揮動態(tài)無線充電的優(yōu)勢，是動態(tài)無線充電實(shí)用化階段的一個重要問題。

03

動態(tài)無線充電難點(diǎn)

      目前電動汽車動態(tài)無線充電技術(shù)各方面的研究都取得了良好的效果，但目前還存在著明顯的不足。與靜態(tài)無線充電相比，動態(tài)無線充電技術(shù)主要有三個研究難點(diǎn)：

第一，效率。目前靜態(tài)無線充電的效率可與有線充電相媲美，達(dá)到90%以上，然而移動式能量傳輸?shù)男适艿皆S多其他因素的影響而很難提高。

第二，控制。除了一般的無線能量傳輸系統(tǒng)的諧振控制、輸出功率控制以及恒流控制之外，靜態(tài)無線充電的控制在某種程度上只涉及兩個線圈或者平板，而且往往功率等級是恒定的，因此在控制上較為簡單；而在動態(tài)無線充電中，汽車在行駛過程中位置不斷變化，汽車上的接收平板與供電導(dǎo)軌上的不同平板形成耦合，為了盡可能減小電能的損耗，需要對不同的平板開關(guān)進(jìn)行控制。此外，在真實(shí)的應(yīng)用場景下，供電導(dǎo)軌需要隨時調(diào)節(jié)接收平板的功率等級以適應(yīng)于不同的車輛進(jìn)行充電。

第三，成本。建立供電動汽車動態(tài)無線充電的供電導(dǎo)軌將需要大量的電力電子器件和復(fù)雜的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，而且需要大量的人力物力對供電導(dǎo)軌進(jìn)行定期的維護(hù)和保養(yǎng)；靜態(tài)無線充電由于結(jié)構(gòu)緊湊，形狀簡單，平板數(shù)量，其成本遠(yuǎn)小于動態(tài)無線充電。有研究評估了移動式無線能量傳輸?shù)臐摿?，并通過理論模型得到：隨著動態(tài)無線充電功率等級提高，建設(shè)該系統(tǒng)的成本將會下降，并且指出未來動態(tài)無線充電將為用戶帶來比增大電池容量更為明顯的益處，如圖8所示。

 圖8 10年的動態(tài)無線充電費(fèi)用與提高電池價格比較，  電池價格按100美元/kWh計(jì)算   圖片來源：[5]   

04

總結(jié)與展望

盡管目前來看，電動汽車動態(tài)無線充電技術(shù)仍然停留在實(shí)驗(yàn)室階段，無法投入量產(chǎn)，但毫無疑問的是，動態(tài)無線充電技術(shù)有著巨大的實(shí)用價值和市場前景。在2016年，“突破電動汽車無線充電技術(shù)”就被列入國家能源局頒發(fā)的《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計(jì)劃（2016-2030年）》政策文件中。動態(tài)無線充電技術(shù)有望同自動駕駛技術(shù)一樣，率先在特定場景和特定車輛上實(shí)現(xiàn)，如公交、巴士等由固定路線的公共車輛或高速公路、港口運(yùn)輸車輛等場景，圖9展示了英國動態(tài)無線充電測試道路。未來，當(dāng)動態(tài)無線充電技術(shù)逐漸成熟且成本下降，電動汽車將能夠?qū)崿F(xiàn)“邊跑邊充”，我們的出行便真正有可能徹底擺脫里程焦慮。

 圖9：英國電動汽車動態(tài)無線充電高速公路項(xiàng)目，圖片來源：Google圖片   

參考文獻(xiàn)

[1]趙爭鳴,劉方,陳凱楠.電動汽車無線充電技術(shù)研究綜述[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2016,31(20):30-40.

[2]譚澤富,張偉,王瑞,高樂.電動汽車無線充電技術(shù)研究綜述[J].智慧電力,2020,48(04):42-47+111.

[3]王得安. 電動汽車動態(tài)無線充電及其位置檢測的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].廣東工業(yè)大學(xué),2020.

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