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无线充电技术 “动态”赋能新能源汽车

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这个冬季,我国北方地区经历了极寒天气和大雪。这种条件下,新能源电动汽车的续航能力表现大打折扣,成为社会讨论的热点。

目前,新能源电动汽车的续航里程可以胜任市区代步的任务。但利用其长途出行则比较困难,里程焦虑问题并未得到充分解决。

针对电池续航的问题,一个技术思路是在电动汽车行驶过程中,利用无线电能传输技术,给电动汽车电池进行电能补充。像飞机的“空中加油”一样,动态无线充电可以实现边行驶边充电,极大提升电动汽车的续航里程,降低车载电池的容量。

2023年,国务院发布《关于进一步构建高质量充电基础设施体系的指导意见》,提出加强包括无线充电在内的新型充电技术研发。发展动态无线充电对于提升新能源车比例、推动无人驾驶等具有重要意义。

动态无线充电基于电力电子技术,通过埋设于道路中的发射端装置,将从电网汲取的电能以电磁场为媒介,“隔空”传输到行驶于路面上的电动汽车的能量接收端,从而实现对电动汽车电池的充电。无线充电在电能传输过程中,车辆与充电设施之间并无线缆的连接,因此可以为高速行驶的电车充电。采用动态无线充电的车辆可以采用低容量电池组,整车重量降低,车辆性能好,还可以节约成本。随着电动汽车市场占比不断提升,动态无线充电的基础设施建设会更具经济性和实用性。

近十年来,随着电动汽车的大量使用,动态无线充电技术的研究、验证和试点也进入快速发展期。

世界各国从2013年开始在城市道路上开展短距离无线充电道路的试点工程,长度从上百米到数公里不等。试点项目中,用于公交车充电的项目由于路线固定,且易与公交站点静态无线充电结合,技术较为成熟,投入使用后已经历了数年持续运行的验证。在普通城市道路和高速公路的应用相对困难,需要综合考量技术可行性和经济性,这是近几年的研究热点。

为降低道路无线充电设施的建设成本,可以设置一定的距离间隔,仅在部分路段铺设大功率的无线充电装置。2023年,美国橡树岭国家实验室首次验证了200千瓦的大功率电动汽车动态无线充电,实现车辆高速运行的情况下通过1公里的充电满足10公里续航需求,大幅降低维持电车电量所需的电气化道路比例。同年,特斯拉汽车公司进军汽车无线充电领域。丰田、宝马等企业也已涉足汽车无线充电技术,并取得一定成果。

加快发展动态无线充电,首先需要基于技术经济性评估获取最优的充电功率和道路电气化比例,还需要进一步提升大功率无线充电技术的性能和安全性,解决不同种类和款型的电动车的无线充电兼容性问题,解决瞬时大功率充电对电网的冲击问题,以及高速行驶时车辆与充电线圈定位通信和网络安全的难题。

解决这些问题,需要多学科交叉合作和多方面创新技术的整合,包括无线充电技术、电力电子技术、储能集成技术、低延时通信技术、道路工程技术、网络安全技术等。实现动态无线充电的产业化落地,需要科研院所研发配套技术,政策链协同和产业界的深度参与。

我国相关研究和试点项目近两年发展很快。2022年,成都开通了国内首条无线充电公交线路;2023年,中国一汽在其创新基地内建成一个高功率动态无线充电道路系统。高速公路无线充电也在积极规划中。我国的新能源企业在充电领域研发能力强、技术迭代快、市场占有率高,如果能配以制度和政策优势,与科研院所的技术创新结合,未来几年将迎来动态无线充电产业高速发展期。

未来,动态无线充电系统将作为智慧交通的重要组成部分,与无人驾驶技术相结合,通过车辆的环境感知和定位技术保证无线充电的安全性和高效性。车辆的导航规划也可以依据无线充电道路的位置进行推荐,保证电动汽车长期续航。动态无线充电技术还将实现公路的电气化,促成交通网与智能电网的动态连接,实现电网源侧和交通用电侧的供需平衡,协同优化能源使用效率和安全。在这样的一体化网络中,自动驾驶车辆可以实现无间断高效可靠行驶,无人驾驶车辆则可以实现全天候无人值守。这对于经济联系紧密的城市之间的人员日常通勤和物流保障,实现点对点直达交通,具有很高的社会和经济效益。

2023年底召开的中央经济工作会议明确提出,要以科技创新推动产业创新,特别是以颠覆性技术和前沿技术催生新产业、新模式、新动能,发展新质生产力。新能源汽车产业是诸多新科技的载体,是符合社会绿色化和数智化发展趋势的未来产业。我国新能源汽车产业依靠科技创新在全球竞争中形成先发优势,在国际上处于领跑位置,是形成和塑造新质生产力的典范。

今年是京津冀协同发展战略提出十周年,交通一体化是京津冀协同发展的骨骼系统和先行领域。电动汽车动态充电有望在下一个十年解决北方低温气候下新能源汽车的长途续航问题,且通过创新性的公路系统的电气化和智能化,有效优化综合交通基础设施网络,连接智能能源网络,“动态”赋能一批新兴的交通和能源产业。

(作者系天津大学国家储能平台教授)

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编辑:敬之

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