电动汽车何时能够“边跑边充”？

近日，小米官宣自己的手机“隔空充电”技术，这项技术可以实现在充电设备数米半径内为手机充电，甚至在异物遮挡也不降低充电效率。与之前借助底座进行无线充电的方式相比，隔空充电技术给予了充电更大的自由度。此时我们不禁畅想，这项技术何时能够用在电动汽车上，让车辆实现“边跑边充”？本文将从电动汽车动态无线充电的研究现状、关键技术和难点及未来展望方面进行介绍。

      随着能源问题和环境问题的日益凸显，电动汽车的发展和普及变得越来越重要，然而，随着电动汽车技术发展及市场扩展，其缺陷逐渐暴露出来：安全性好、动力性好、寿命长、容量大的车用动力电池逐渐成为长续航里程电动汽车的必备条件。目前认可度较高的锂电池也存在着成本过高、安全受限、容量受限等问题，尤其是对于纯电动汽车。近年来，不断有研究人员提出将无线能量传输(wireless power transfer，WPT)作为用于电动汽车电池充电的可行方案，WPT的应用在解决电动汽车充电问题的同时为电动汽车用户提供极大的便利，相比传统的有线充电方式而言，WPT取消了复杂的线缆和充电枪，也避免了有线充电中的一些问题，例如漏电等危险情况。按照能量传输时汽车是否处于行驶状态可以将无线能量传输分为固定式和移动式两种，基于这两种能量传输方式的充电技术分别称作静态无线充电和动态无线充电，下面分别加以介绍说明。

静态无线充电：指电动汽车可以在停车时进行充电的方案，与传统的有线充电相比较，它能够在实现完全自动的同时大大增加电动汽车充电的机会，并且在电磁辐射安全的条件下几乎没有任何风险。在结构方面，固定式无线能量传输系统的磁耦合器形式多采用平板式，即发射平板通常安装在地面上，其上下的高度位置设计成可调式以便适应不同底盘高度的车辆充电，接收能量的平板安装在汽车底盘的前端或后端。为防止漏电等危险事故，通常需要在发射平板外包裹塑料或者橡胶，同时设计金属屏蔽层以解决电磁辐射，此外平板中还包括导磁的磁性材料（铁氧体），如图1所示。图2展示了一种典型的固定式无线能量传输系统的整体结构。在整个传输系统当中，充电站与汽车之间的通讯系统也是极为重要的一环。

      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。

      动态无线充电：为了进一步解决电动汽车续航里程受限的问题，移动式无线能量传输，即动态无线充电成为一种更优的能量传输方案。其基本原理是通过埋于地面下的供电导轨以高频交变磁场的形式将电能传输给地面上一定范围内的车辆接收端电能拾取机构，进而为车载储能设备供电，根据发射端不同可以分为集中式和分段式供电导轨模式。理论上，当道路的充电机会足够时，汽车可以随时在行驶的过程当中为电池充电，进而实现“无限续航”；更为显著的作用是，能够在不增加电池容量的前提下提高电动汽车续航里程，由于电池容量带来的一系列问题也得以避免。当然动态无线充电系统要更加复杂，成本更高，需要在汽车行驶的路面下铺设更长的供电导轨，在导轨上安装一系列连续的发射平板。

     电动汽车动态无线充电系统主要包括地面的导轨和安装在电动汽车上的电能接受及转换设备，其传输距离、效率、功率和有限充电距离等技术指标均由二者共同决定，因而成为国内外各研究机构的主要研究内容。动态无线充电技术的国际上目前的发展水平如图所示。可以看出，美国橡树岭国家实验室（ORNL）和韩国科学技术院（KAIST）的技术处于领先地位。

       2015年，美国橡树岭国家实验室（ORNL）在丰田电动车RAV4上装备了20kW的无线充电系统，并进行了动态无线充电的测试。测试研究了SS和SP两种谐振构型的能量传输，实验表明SP构型容忍错位能力更强，具有更宽的可用几何范围。橡树岭实验室下一个目标是开发出50kW的无线充电器，能给大型车辆提供无线充电功能。

      韩国科学技术院（KAIST）自2009年先后提出了不同的电动汽车动态无线充电耦合机构形式，并对动态无线充电系统中的磁路建模、电力电子、控制策略及经济型等方面进行了深入的研究。之后的数年内，先后提出六代充电导轨结构。其中2013年在龟尾市的两条无线充电公交线路投入运行，里程24千米，电动车底盘与沥青地面保持17厘米的间距，不断接收100kW的电力，效率达85%。

      在国内，各高校也先后开展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建设张家口张北县电动客车180m动态无线充电实验线。该系统采用2.4米分段式的发射导轨级联方式，由4段发射导轨为一组，每组由一套电源进行独立充电。该试验线路电能传输距离为20厘米，最大偏倚距离40厘米，在实验车辆运行速度为40km/h的情况下能够实现20kW的功率，总效率高于85%。

电动汽车动态无线充电技术涉及电力电子、电磁设计、能量存储系统以及车辆系统等多学科技术，具体包括以下几个方面：

能效问题分析：对于电动车无线充电系统，传输距离、传输功率、系统效率是三个极为关键的技术指标，有关这三个指标的问题称之为能效问题。与此相关有以下研究热点：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，其目标都是实现高效、快速、抗偏移能力强的充电系统。

电力电子技术：无线电能传输建立在高频交流电的基础上。将工频的交流电能转换成高频交流电能，必须依靠高频电能变换和控制技术。实现高频、大功率、高效和稳定的电能变换对整个系统具有关键影响。

无线通信技术：为了实现动态充电的控制，低延迟的快速通信成为必须。例如，专用短距离通信（Dedicated Short Range Communication, DSRC）是低延迟通信的一种解决方案。

动态控制技术：研究表明，当线圈相对位置关系发生变化时，其最大功率和最大效率下的频率都会发生变化。如何在复杂的变化中尽可能使系统实现高效、稳定的充电，是行车充电构想所面临的重大挑战。与此相关有能量传输鲁棒控制问题、动态响应问题、功率传递时序问题等。

电磁环境安全问题：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，电压和电流随时间的变化率都很大。高频的电磁振荡成为一个电磁干扰源，不但会对外界产生干扰，系统自身也容易受到影响，所以系统对外的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系统的电磁辐射中，生物体是否会受到不良影响以及应该采取怎样的保护措施也是当前研究的重点。此外，金属异物处在该电磁场中，还会产生感应电流导致金属温升，这同样是不可忽略的安全问题。

电动化道路问题：如何低成本、有效地实现道路电气化，从而发挥动态无线充电的优势，是动态无线充电实用化阶段的一个重要问题。

      目前电动汽车动态无线充电技术各方面的研究都取得了良好的效果，但目前还存在着明显的不足。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。目前静态无线充电的效率可与有线充电相媲美，达到90%以上，然而移动式能量传输的效率受到许多其他因素的影响而很难提高。

第二，控制。除了一般的无线能量传输系统的谐振控制、输出功率控制以及恒流控制之外，静态无线充电的控制在某种程度上只涉及两个线圈或者平板，而且往往功率等级是恒定的，因此在控制上较为简单；而在动态无线充电中，汽车在行驶过程中位置不断变化，汽车上的接收平板与供电导轨上的不同平板形成耦合，为了尽可能减小电能的损耗，需要对不同的平板开关进行控制。此外，在真实的应用场景下，供电导轨需要随时调节接收平板的功率等级以适应于不同的车辆进行充电。

第三，成本。建立供电动汽车动态无线充电的供电导轨将需要大量的电力电子器件和复杂的导轨结构，而且需要大量的人力物力对供电导轨进行定期的维护和保养；静态无线充电由于结构紧凑，形状简单，平板数量，其成本远小于动态无线充电。有研究评估了移动式无线能量传输的潜力，并通过理论模型得到：随着动态无线充电功率等级提高，建设该系统的成本将会下降，并且指出未来动态无线充电将为用户带来比增大电池容量更为明显的益处，如图8所示。

尽管目前来看，电动汽车动态无线充电技术仍然停留在实验室阶段，无法投入量产，但毫无疑问的是，动态无线充电技术有着巨大的实用价值和市场前景。在2016年，“突破电动汽车无线充电技术”就被列入国家能源局颁发的《能源技术革命创新行动计划（2016-2030年）》政策文件中。动态无线充电技术有望同自动驾驶技术一样，率先在特定场景和特定车辆上实现，如公交、巴士等由固定路线的公共车辆或高速公路、港口运输车辆等场景，图9展示了英国动态无线充电测试道路。未来，当动态无线充电技术逐渐成熟且成本下降，电动汽车将能够实现“边跑边充”，我们的出行便真正有可能彻底摆脱里程焦虑。