公路无线充电技术应用可行性研究.pdf

总660期2023年第30期（10月 下）0 引言随着我国交通基础设施的不断完善以及新能源汽车行业的蓬勃发展，现有交通基础设施功能不能完全满足新能源汽车高效便捷的充电需求。通过对公路进行改造，实现新能源汽车在公路上正常行驶或在服务区停车休息的同时对电动车辆进行无线充电，可解决新能源汽车电池容量小、续航里程短的限制，从根本上解决电动汽车长距离出行的里程焦虑问题。1 公路充电技术公路充电技术包含无线充电和有线充电等，其中有线充电主要有利用轨道、充电臂充电等；无线充电主要有电磁感应、电磁共振、无线电波、电场耦合等技术。1.1 有线充电技术有线充电技术原理是在路面上铺设相应电力传输轨道，车辆通过与轨道连接，通过电力传输实现对车辆的驱动。常见的有线充电技术应用主要有有轨电车以及其他的衍生产品，都是通过物理接触实现电力传输。1.2 无线充电技术无线充电技术就是在不通过实体电线连接的情况下，通过电磁场或电磁波等方式来为用电设备进行充电，根据公路路面结构以及车辆的行驶特性，具备便捷、安全、可靠等特性的无线充电技术成为目前公路充电技术研究的主流。无线充电主要有四种方式：电磁感应式、电磁共振式、无线电波式、电场耦合式。1.2.1 电磁感应式电磁感应式充电是在生活中最常见的无线充电技术，主要是通过初级和次级线圈感应产生电流，将电能从发送端转移到接收端。图 1 为电磁感应方式原理图。图1 电磁感应方式原理电磁感应式无线充电技术在手机无线充电等领域已实现大规模量产，技术简单成熟，生产成本较低，同时转换效率可达80%以上。电磁感应技术有三个主要弊端：一是传输距离短，一般两个线圈间传输距离在10 cm以内，随着距离的增加，充电过程中的电能损耗也会逐步增大，充电效率也会大打折扣；二是由于对线圈充电位置要求严格，要求两线圈位置准确对应，充电设备摆放位置自由度低，一般用于小型设备的静态充电场景；三是两线圈在能量传输中产生热量，随着充电时间以及充电功率的增加，设备发热越大，需要考虑安全问题。应用在公路充电领域，静态无线充电相比现有充电桩，可以实现更加便捷、无感充电，可在固定场所如服务区停车场等固定区域设置无线充电车位供车辆充电。1.2.2 电磁共振式电磁共振式技术是通过两个振动频率相同的线圈高效传输能量，当发射器和接收器端以同一频率振动时，接收器会从发射器产生的电磁场获得能量，并将收稿日期：2023-05-19作者简介：李昂（1989），男，河南洛阳人，工程师，研究方向为交通规划。公路无线充电技术应用可行性研究李昂（河南省交通规划设计研究院股份有限公司，河南 郑州 450000）摘要：基于新能源汽车充电供需矛盾限制和制约电动汽车产业发展的问题。通过对无线充电技术进行研究，系统分析不同无线充电技术的特点，结合国内外应用实例，从技术性和推广性两个方面开展公路场景下无线充电技术应用的可行性分析研究，提出了解决新能源汽车充电供需矛盾的新路径。关键词：新能源；无线充电；电动汽车中图分类号：U-9文献标识码：B128交通世界TRANSPOWORLD其转换为电流来为设备供电或充电。图2为磁共振方式原理图。图2 磁共振方式原理电磁共振式技术，通过共振效应传送电能，支持多个设备同时充电，传输距离较远，传输功率较大，适合远距离大功率充电，但随着距离增加，传输功率变大，损耗也就越大。同时需保证两个线圈频率相同，必须对使用的频段进行保护，免受外界因素干扰，其传输效率相比电磁感应式较低，但具有更高的空间自由度，不必精确对位即可实现能量无线传输，且其传输距离可达数米。应用在公路充电领域，根据电磁共振式技术特点，可将感应线圈埋入公路路面下，在汽车底部装上相应感应线圈，当汽车通过该路段时相同频率的两个线圈发生共振产生磁场，将能量通过磁场传输，从而对车辆电池进行充电，实现公路路面静态或动态无线充电。1.2.3 无线电波式无线电波式充电技术是通过整流电路将电磁波转换成电能，为用电设备进行充电。无线电波的技术可实现长距离传输，传输距离可超过10 m，当电磁波能量越集中时，方向性才能够保证，其传输功率和传输效率均较低。像激光在空间传输很容易受到空气和尘埃的折射，导致能量转换率极低。因此，无线电波式充电技术在公路路面充电领域研究较少。1.2.4 电场耦合式电场耦合式技术原理是利用沿垂直方向耦合两组非对称偶极子而产生的感应电场来传输电力。电场耦合充电适合短距离充电，传输距离为数厘米，转换效率较高，可达70%80%，且充电位置可以不固定，发热较低，但充电设备体积较大、功率也较小。因此，电场耦合式充电技术在公路路面充电领域研究较少。2 国内外相关应用实例2.1 国外相关应用2018年5月，BMW宣布推出一款为插电式混合动力车定制的感应充电设备，无线充电系统由固定在车位并与电源相连接的感应电磁发射板，和安置于车身底盘下方的感应充电板两块感应部件组成。当感应充电板被放置于感应电磁发射板的正上方，感应充电板内的线圈就能产生电流并为锂电池充电。2020年8月，一家以色列的公司Electreon Wireless宣布在以色列的特拉维夫铺设了世界上第一条无线充电公路，通过嵌在沥青中的铜线圈系统来对过往车辆进行充电，接收器则安装在参与试验的每辆车的底盘上，可以实现为行驶中的电动汽车进行无线充电。2021年，美国印第安纳州交通部计划在区域内高速公路路面嵌入无线电动汽车充电设备，允许相应车辆在行驶时进行充电。在测试中，将使用由德国Magment GmbH 开发的可磁化混凝土，在混凝土中嵌入线圈传输电力，由安装在车辆上的线圈接收，实现能量无线传输。2.2 我国相关应用2014年9月，中兴通讯宣布全球首例采用其新能源汽车大功率无线充电系统的公交商用示范线在湖北襄阳启动。应用该技术，公交车在改造过的停车位停靠后，就可以进行充电，无需人工插拔充电枪，完全不受泥沙和水浸的影响，且无线充电设备充电过程中辐射水平符合相关标准。2017年10月，浙江省绍兴市宣布建成了一段世界上承重最大的超级道路，该路面铺设的太阳能光伏发电组件，把光能转换成电能，电能再转换成电磁波进行发射，从而实现对改装后的车辆无线充电。2018年10月，“三合一”电子公路在苏州亮相，是世界上首次实现将光伏公路、无线充电和无人驾驶三项技术融合的应用。“三合一”电子公路采用了新型透明混凝土柔性材料，承重能力达50 t以上，利用磁耦合谐振式（电磁共振）无线电能传输技术实现电动汽车动态无线充电。3 公路无线充电技术应用可行性分析3.1 技术可行性分析在公路上应用的无线充电技术，需要满足安全、高效、便捷等要求，结合以上对公路无线充电技术原理和特点的比较分析，理论上电磁感应式和电磁共振式两种充电技术在公路领域应用是可行的，两种技术在理论上均能够满足公路无线充电要求。具体在实际情况中，电磁共振式充电技术相比电磁感应式充电技术具有以下优势：1）电磁感应式充电输出与接收设备间传输距离的限制（最大一般不超过10 cm），使得车辆底部需与地面充电设备间保持足够小的间隙，又因各车辆底盘高129总660期2023年第30期（10月 下）度不一，在以后推广应用中不易做到统一；而电磁共振式充电技术传输距离理论可达数米，完全满足常规车辆与地面间距要求，无需额外对距离进行限制。2）电磁感应式充电技术对充电位置要求严格，要求设备间位置准确对应，否则就不能充电或充电效率大幅降低。这就要求驾驶员需具备较高的驾驶水平，现实中驾驶员水平参差不齐；而电磁共振式充电技术因其传输距离长，对充电设备间位置要求不需要过分精确，对驾驶员技术要求不高，且能实现在同一电磁场中多台设备同时充电。3）因电磁感应式充电的技术限制，只能应用于静态无线充电，而电磁共振式技术可同时应用于静态和动态两种无线充电形式中。综合以上分析，在公路充电领域，电磁共振式充电技术在技术适用性及后续推广应用上更具优势。图3为电动车无线充电原理。3.2 应用推广可行性分析3.2.1 建设成本及经济性分析根据初步了解，目前公共有线充电桩建设成本根据充电功率不同在520万元，而静态的无线充电系统建设成本在50万元左右，动态的无线充电系统试点建设的成本在1 000万/100 m以上，且一般有线充电桩的传输功率及效率均要高于无线充电。同时，目前国网高速公路服务区有线充电桩除节假日外，在平时利用率很低，运营均处于亏损状态。因此，建设成本更高的无线充电系统，其巨额建设成本与较低的收益之间的矛盾将更加突出且长期存在。3.2.2 实施条件分析公路无线充电是个系统工程，不只需要对公路进行改造，同时还涉及公路供电系统、充电车辆等各方面的改造，对于充电车辆的改造来说，需要车辆增加对应相匹配的无线充电设备，同时对车辆的电池系统、供电系统等均需进行改造。推广实施难度较大，需强有力的政策和资金保障。3.2.3 社会效益分析公路无线充电技术的应用和推广为新能源汽车充电提供了极大便利，对于新能源汽车推广起到利好作用，将促进新能源汽车产业的快速发展。同时，公路无线充电的应用能够解决电动汽车续航焦虑问题，必将加快新能源汽车替代传统燃油汽车的步伐，对交通运输行业节能减排具有积极作用。4 结束语综上所述，电磁共振式等无线充电技术应用于公路无线充电系统建设，技术上是可行的，政策上是鼓励支持的。在世界范围来看，无线充电技术在公路领域仍处于前期技术研究和小规模试点应用阶段，其大规模推广应用仍有较多问题需要解决。现阶段，建议在加快推进公路无线充电技术研究的同时，充分利用我国交通基础设施优势，选取新建局部路段或服务区区域开展小规模试点，探索公路无线充电系统建设、养护、运营、管理经验，形成一套成熟的公路无线充电系统建设方案，最终发展成为解决新能源汽车充电供需矛盾的一种新路径。参考文献：1 郭宗芝.应用于电动汽车无线充电系统的结构优化及控制策略研究D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015.2 李阳，杨庆新，闫卓，等.无线电能有效传输距离及其影响因素分析J.电工技术学报，2013（1）.3 熊炜，黎安铭，任乔林，等.无线充电装置在电动汽车上的应用研究综述J.通信电源技术，2016（3）：17-19.4 范兴明，莫小勇，张鑫.无线电能传输技术的研究现状与应用J.中国电机工程学报，2015（10）.图3 电动车无线充电原理130