無線電能傳輸又稱無線電力傳輸，非接觸電能傳輸?shù)?，是指通過發(fā)射器將電能轉(zhuǎn)換為其他形式的中繼能量（如電磁場、電磁波、激光、微波及機械波等），中繼能量隔空傳輸一段距離后，再通過接收器轉(zhuǎn)換為電能，從而實現(xiàn)電能無線傳輸?shù)倪^程。

 

近年來，人們對更加便捷靈活的充電方式的需求愈加迫切，無線電能傳輸?shù)难芯恳膊粩嗌钊耄鉀Q了包括小到電動牙刷、智能手機、家居電器，大到電動汽車等移動設(shè)備電源的便捷性供電和充電問題。但目前，創(chuàng)建一個不受操作條件變化影響的無線能量傳輸系統(tǒng)很不容易，特別是當用電負載和發(fā)射結(jié)構(gòu)在無線供充電過程中發(fā)生相對位移時，要同時保持電力傳輸功率和效率的穩(wěn)定，一直以來都是科學(xué)界的一大難題。

 

美學(xué)者研發(fā)新型無線電能傳輸系統(tǒng)

 

今年6月14日，國際學(xué)術(shù)權(quán)威刊物自然出版集團旗下《自然》雜志發(fā)表了美國斯坦福大學(xué)電氣工程系金茲頓實驗室的一篇學(xué)術(shù)論文，論文介紹了華裔科學(xué)家范汕洄及其研究團隊利用量子力學(xué)中的“非線性等時對稱（PT對稱）原理”，并利用反饋調(diào)諧電路方法，研制了一種無線電能傳輸系統(tǒng)。實驗中，該系統(tǒng)在無需電力線纜連接的情況下可成功點亮圓盤上的LED燈，并且在一米距離內(nèi)移動圓盤過程中，LED亮度維持不變。該論文引起了工業(yè)界、學(xué)術(shù)界對無線電能傳輸技術(shù)的新一輪關(guān)注熱潮。

 

現(xiàn)有典型原理的無線電能傳輸系統(tǒng)，其傳輸效率通常隨傳輸距離的變化而變化，而斯坦福大學(xué)制成的系統(tǒng)可以在約一米的距離變化范圍內(nèi)，保持傳輸效率幾乎不變，這一研究開拓了無線電能傳輸技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用的新思路。在相應(yīng)的新聞與評論文章中，法國科學(xué)研究中心、巴黎高等物理化工學(xué)院科學(xué)家杰弗洛伊˙蘿實表示，這項最新發(fā)現(xiàn)有望用于為傳輸距離和方向持續(xù)發(fā)生變化的移動裝置或車輛在線供電或充電。

 

移動無線充電有望應(yīng)用于電動汽車

 

2007年，麻省理工學(xué)院研究人員曾演示了采用磁共振耦合原理為在2米以外的燈泡供電，無線電能傳輸因此被美國《技術(shù)評論》雜志評選為未來將給人類生產(chǎn)和生活方式帶來巨大變革的十大科研方向之一。麻省理工學(xué)院的這一成果為實現(xiàn)電動汽車在道路上無線充電提供了新的思路，具體做法是將供電線圈埋在道路中，在電動車經(jīng)過時完成充電。移動式無線充電為解決插電式電動汽車續(xù)航里程受限問題提供了新思路。目前市場上常見的電動汽車一次完整充電的行駛里程大約在200公里左右，但電動汽車電池的完全充電通常需要幾個小時才能完成。如果電動汽車能夠在高速公路行駛過程中充電，就能消除人們對于續(xù)駛里程的擔憂乃至焦慮，并有助于減小動力電池組容量，降低營運成本，同時還可以充分利用道路資源，緩解城市特別是特大城市中心區(qū)域充電難的問題。

 

范汕洄在一段配合該論文的視頻中解釋道：“理論上,人們可以無時限地開車，只要不停止充電。”但目前該團隊實驗階段的無線充電技術(shù)傳輸功率只有毫瓦級，遠遠達不到電動汽車的供電標準。范汕洄帶領(lǐng)的團隊目前正在研究可以大大增加傳輸距離、傳輸效率和傳輸功率的方法。未來通過繼續(xù)優(yōu)化無線充電系統(tǒng)的設(shè)計，這種供電方式將具有廣泛的應(yīng)用前景。

 

移動式無線充電技術(shù)目前還不成熟

 

目前，國內(nèi)外無線充電工程應(yīng)用主要面向軌道交通列車和固定線路的公交巴士。在已有電動汽車無線充電工程案例中，靜止式無線充電示范工程技術(shù)比較成熟。國外具有代表性的是龐巴迪Primove200千瓦無線快充技術(shù)，采用磁感應(yīng)充電技術(shù)，結(jié)合機械輔助機構(gòu)進行線圈位置的升降調(diào)節(jié)。國內(nèi)的中興公司已可以實現(xiàn)60千瓦的公交無線充電，而且正朝著100千瓦及以上級別邁進。

 

相比而言，目前移動式無線充電技術(shù)還不成熟，少數(shù)移動式無線充電工程應(yīng)用只是短距離的試點線路，基本上是原理和功能性驗證，缺乏對工程實用化關(guān)鍵技術(shù)方面的考慮，且目前還沒有針對小型乘用車的無線充電工程應(yīng)用案例?，F(xiàn)有的試驗路段中，比較典型的是韓國科學(xué)技術(shù)研究院的示范工程。據(jù)報道，該工程的道路總長度達到12公里，其中無線充電路段覆蓋的長度為5%至15%（約為1公里左右），充電功率為100千瓦。該工程在規(guī)劃、設(shè)計、施工、驗收、運行控制等方面的內(nèi)容均未見報道。

 

我國電動汽車移動無線充電技術(shù)研究情況

 

在電動汽車移動式無線充電技術(shù)方面，我國相對于國外起步較晚，但經(jīng)過近幾年來的快速發(fā)展，已逐漸縮小了與國外的差距。廣西電科院于2012年開始研究無線充電，于2016年5月建成了一條33米的電動汽車移動式無線充電實驗路段。該路段可以實現(xiàn)一輛移動中的模型電動車輛無線充電。其采用的線圈結(jié)構(gòu)原理與韓國科學(xué)技術(shù)研究院開發(fā)的第一代系統(tǒng)類似，供電端采用長直導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。同時，這種設(shè)計方案的側(cè)向抗偏移能力相對較差。經(jīng)實地調(diào)研分析，該路段只是移動式無線充電原理性的展示，也未考慮工程化、實用化相關(guān)的規(guī)劃設(shè)計、計量計費、運行監(jiān)控、檢修維護等問題，也未見公開報道的效率及電磁安全性方面的指標數(shù)據(jù)。

 

2016年1月，中國電科院牽頭承擔了國家電網(wǎng)公司科技項目“電動汽車路段移動式無線充電關(guān)鍵技術(shù)研究及設(shè)備研制”，從系統(tǒng)設(shè)計與仿真分析、磁傳輸部件設(shè)計與實現(xiàn)、大功率高頻電源、電磁安全防護、狀態(tài)監(jiān)測和控制以及道路結(jié)構(gòu)和施工技術(shù)等幾個方面展開研究，并通過建設(shè)一條百米級的電動汽車無線充電試驗路段來對移動式無線充電技術(shù)進行詳細深入的測試評估，從而為后續(xù)公里級及以上規(guī)模的電動汽車無線充電示范工程提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。目前，該項目已經(jīng)完成了電動汽車移動式無線充電關(guān)鍵技術(shù)研究及設(shè)備研制，正在開展150米長的實驗路段的施工和設(shè)備安裝調(diào)試，預(yù)計2017年8月底投入試運行。該項目的研究成果有望指導(dǎo)后續(xù)公里級及以上電動汽車無線充電示范工程的規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)和運行。