哈工大学者发表电动汽车动态无线供电系统位置检测技术的研究综述

电气新科技

动态无线供电技术为电动汽车的能量供给方式提供了颠覆性的解决方案，为了提升系统的效率及安全性，采用多段导轨阵列排布、根据车辆位置灵活选通成为必要手段。该文首先概述电动汽车动态无线供电技术的发展现状及车辆定位方式；进一步综述了位置检测技术的应用和创新；详细讨论了有辅助检测装置的位置检测技术以及无辅助检测装置的纵向位置检测技术的发展历程、当前的技术实现以及存在的关键问题；最后指出位置检测技术在检测精度、响应速度、成本和环境适应性方面有待进一步提升，并对未来的研究方向进行了展望，以期为动态无线供电系统中位置检测技术的研究提供借鉴和参考。

引言

电动汽车的发展能够有效缓解环境污染和能源短缺问题，推动建设绿色低碳循环的生态经济体系，得到了各国政府的关注和支持，许多国家设定了到2030年或更早实现全面电动化的目标。根据国际能源署（International Energy Agency, IEA）数据，2023年全球电动汽车销量达到近1400万辆，同比增长35%，2024年销售量已达到1700万辆。我国2024年电动汽车销售量预计达到1000万辆左右，约占汽车总销量的45%。

在此背景下，无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）技术作为一项新兴技术，可以实现能量的非接触传输，具有更高的灵活性、安全性及环境适应性，对电动汽车的技术升级和市场推广具有重要研究价值。目前，国际电工委员会（International Electrotechnical Com- mission, IEC）、国际标准化组织（International Organization for Standardization, ISO）、美国汽车工程师协会（Society of Automotive Engineers, SAE）、中国国家标准化管理委员会已分别出台了IEC 61980、ISO 19363、SAEJ2954、GB/T 38775等无线充电标准，以促进该项技术的进一步推广应用。

动态无线电能传输（Dynamic Wireless Power Transfer, DWPT）技术基于电磁感应原理，可以为行进中的车辆实时非接触供能，有助于减少车载电池用量，降低整车质量和成本，提高系统的安全性和环境适应性；充电设备埋于地下，不占用地上面积，有利于基础设施的网格化、分布化；充电不再单独占用时间，可充分利用公路、红绿灯、停车场等场所自动补电，减少充电时间，提升充电的便捷性；基于其可以边跑边充的技术优势、广泛分布的供电设备以及灵活补电的工作场所，可大大提升续驶里程。

因此，动态无线供电技术为电动汽车面临的电池和充电问题，提供了颠覆性的解决方案，具有重要的研究意义和实用价值，尤其是在智能化、无人化的发展潮流下，动态无线供电技术将成为电动汽车的刚需。目前，中国电源学会已经出台了团体标准T/CPSS 1001—2021及T/CPSS 1010—2020，对动态无线充电系统技术要求进行了规定，国际上关于动态无线充电的标准也正在起草当中。

近年来动态无线供电技术已得到了国内外众多研究机构和公司的广泛关注和重点研究，目前世界各地已开发了多条试验线，验证了该项技术的可行性，动态无线供电示范线示意图如图1所示。

新西兰奥克兰大学（University of Auckland, UoA）在动态无线供电技术方面做了大量的基础研究，提出了长直型、蜿蜒型、DD型发射导轨，以及E型、S型、平面型、DD型、DDQ型、BP型和圆盘型等多种接收线圈结构。基于该项技术，高通公司于2017年建设完成一条100 m的电动汽车动态无线供电示范线，输出功率为20 kW，充电时车速可达100 km/h。

韩国高等科学技术研究院（Korea Advanced Institute of Science and Technology, KAIST）研发的在线电动汽车（Online Electrical Vehicles, OLEV）自2009年至今已推出六代系统，并在韩国多地投入商业化运行。WAVE公司2014年在美国盐城湖建设了一条功率等级50 kW、传输距离15 cm、效率90%的电动汽车动态无线供电示范线。

以色列Electreon公司在2018年及2021年建设了传输功率分别为200 kW和8.5 kW、总长度均为2 km的动态无线供电示范线，其中2018年在瑞典建设的eRoadArlanda项目花费约582万美元。2021年，Stellantis集团与其项目合作伙伴在意大利基亚里建设完成一条1 050 m、道路总传输功率1 MW的电动汽车动态无线供电示范线。

图1 动态无线供电示范线示意图

国内也有相关理论和应用研究，2016年重庆大学与南方电网合作建设完成国内第一条动态无线供电系统示范线路，线路总长100m，最大输出功率达30 kW，效率为75%～90%。重庆大学和东南大学2018年在江苏同里建设了一条动态无线供电道路，系统输出功率为11 kW，效率可达90%。2021年重庆大学与广西电网电力科学研究院合作，研制了一条长53 m、宽3 m、额定输出功率60 kW的动态无线供电试验线，充电效率80%以上，电磁辐射小于6 mT。

哈尔滨工业大学提出了N型发射导轨和多相接收线圈的磁耦合机构，具有发射导轨窄、侧移能力强、传输功率大、行进波动小的优点。2016年该团队同中国电力科学院合作，在张北县建成了国内首条百米级电动汽车动态无线供电试验线，充电功率为20 kW。2019年与宇通客车公司合作，建成了一条100 m电动公交车动态无线供电试验线路，输出功率可达80 kW，系统效率80%以上。

一汽研发总院2023年在长春建设了一条长为120 m、单模块输出功率为30 kW的无线充电道路，车辆行驶过后补充的电量可以增加1.3 km，系统采用先进的位置检测方法和开关发射线圈技术，实现实时位置的检测以及高效的能量传输。

根据上述研究现状，电动汽车动态无线供电系统的功率等级通常为10～100 kW，系统效率为80%～90%，更高功率等级的应用多集中在轨道交通领域。

庞巴迪（Bombardier）公司针对轨道交通应用推出了基于长导轨式的PRIMOVE动态无线供电系统，在6.5 cm的传输距离下，可以实现250 kW的功率输出。韩国铁道科学研究院（Korea Railroad Research Institute, KRRI）于2015年设计并建造了一种长导轨式高速列车动态无线供电系统，在5 cm的传输距离下输出818 kW的功率，测试时列车时速为10 km/h，系统效率为82.7%；2024年上述系统进行了完善，实现了最大功率为1 MW、最高效率为89%的功率输出，并持续运行了40000 km。

西南交通大学先后研制了多套轨道交通动态无线供电系统，其中国内首套城轨车辆动态无线供电系统在15 cm的传输距离下可以输出500 kW的功率，系统传输效率大于90%。中车株洲电力机车研究所2023年研制了一套智轨电车无线充电系统，采用单发射对四拾取结构，实现了300 kW的功率传输，在5 km/h运行状态下平均效率可达86%，车辆位置检测采用的是超宽带（Ultra Wide Band, UWB）定位技术。

综上所述，动态无线供电技术具有很高的可行性和应用潜力，如何提升系统效率、降低成本、保证电磁兼容性和安全性有待进一步研究。

随着动态无线供电线路的延长，发射端采用多段导轨阵列排布、根据车辆位置灵活选通成为提升效率和电磁兼容性的必要手段，动态无线供电系统组成示意图如图2所示。T/CPSS 1001—2021要求当电动汽车经过指定充电区域时，仅电动汽车下方的导轨段打开，进入传能状态，而其他未处于电动汽车下方的导轨段关闭，以减小能量损耗与电磁干扰（Electromagnetic Interference, EMI）。

电动汽车所在导轨段对应的导轨控制器用于检测车载端位置，并通过通信总线将该信息传输至系统总控制器，实现导轨的切换，导轨切换时间应小于2 ms。且其辅助系统中必须包含位置检测系统，即通过声、光传感器或借助电路参数检测电动汽车在电能发射线圈导轨上的实时位置。因此，动态无线供电系统对位置检测技术有以下几方面性能要求：

图2 动态无线供电系统组成示意图

（1）实时监测车辆行进方向位置并将信息反馈给控制系统，以选通与接收端耦合的发射导轨。

（2）车辆在行驶过程中可能因路况和驾驶技术的影响而发生横向偏移，这会导致输出功率和传输效率的降低。精确的位置检测可以及时调整供电方案，提醒司机或自动驾驶系统修正行驶方向，从而确保车辆始终处于最佳充电位置。

（3）为了保证供电的稳定性，提升速度适应性，位置检测系统需要具有足够快的响应速度。

（4）位置检测系统应具备良好的环境适应性，以确保在各种天气和路面条件下的稳定运行，同时需考虑长期使用中的误差累积。

（5）经济性和可部署性同样重要，简化算法、降低硬件要求和优化系统架构将有助于降低成本和复杂度。

根据上述应用需求，本文对动态无线供电系统中位置检测技术的研究进展进行综述，分别从车辆定位技术、动态无线供电系统位置检测的分类和特点以及关键问题的研究现状展开分析，最后对亟待解决的关键问题和未来的发展方向进行了讨论。

1车辆定位技术

在现代汽车技术领域，不论是一般驾驶者还是自动驾驶系统，都需要可靠的定位技术来保证车辆的精准定位和安全行驶。目前，主流的汽车定位技术主要包括全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System, GNSS）定位、惯性导航系统（Inertial Navigation System, INS）定位、地图匹配定位、无线通信定位、磁定位以及视觉定位等。这些技术各有其优势和限制，涵盖了从全球性定位到更为局部的环境感知。选择适当的定位技术取决于特定的应用场景、定位精度需求以及成本考量。因此本节针对不同汽车定位技术的研究和发展现状进行了对比和总结。

1.1 全球导航卫星系统（GNSS）定位

全球导航卫星系统是一种基于卫星的无线电导航系统，如图3所示，用于提供高精度位置、速度等信息。现有卫星定位系统主要有美国的全球定位系统（Global Positioning System, GPS）、俄罗斯的全球导航卫星系统、中国的北斗卫星导航系统及欧盟的伽利略全球导航卫星系统等。GNSS能够提供实时、全天候、全时段的定位服务并且可以直接给出汽车在世界坐标系中的绝对位置信息。GNSS定位设计为多卫星系统，即使部分卫星失效，系统仍可继续提供服务，保证了较高的服务连续性；可以依靠多国卫星系统的合作，如GPS和北斗，提供冗余保障，增强系统的全球覆盖和抗干扰能力，具有较高的可靠性。

目前GNSS技术已广泛集成到手机、汽车和航空航天技术中，用户界面友好，易于获取和使用。但是，其定位精度只能达到m级，并且信号在高层建筑、隧道、立交桥、浓荫大道等区域会发生漂移，导致其定位精度变差甚至出现定位丢失等问题；在极端气候条件下，如太阳风暴，GNSS信号可能受到严重干扰，影响其性能和安全性；同时，GNSS设备能够追踪到个人的具体位置和行为模式，可能会对个人隐私以及安全造成威胁；对于使用GNSS进行精密导航的设备，如车辆自动驾驶及飞行设备，若信号受到干扰或欺骗极易造成严重事故。

图3 GPS

1.2 激光雷达（LiDAR）测距定位技术

与全球导航卫星系统相比，激光雷达（Light Detection and Ranging, LiDAR）测距定位技术具有更高的精度以及更强的环境适应性，该技术基于激光脉冲的时间飞行原理，利用激光测量物体与发射源之间的距离，如图4所示。

具体来说，LiDAR设备的激光发射器会发射一系列定向激光脉冲，当这些脉冲击中目标物体后，会被反射回来并由设备内的接收器捕捉。接收器随后记录下激光脉冲从发射到返回的时间，并利用该时间乘以光速，从而准确计算出与目标物体的距离。相比于传统的测距技术，LiDAR可以在各种光照条件下工作，不受日夜变化的影响，能达到cm级的精度，非常适合进行高精度地图创建和环境建模，且强大的穿透力使其能够在恶劣天气条件下也可工作，保证定位结果的可靠性。

然而LiDAR系统通常价格昂贵且在定位过程中产生的数据量庞大，需要复杂的算法和强大的计算资源来处理和解析，在实际应用过程中可能产生较大的延迟。此外，由于激光脉冲可能会穿过或被完全反射，因此LiDAR在穿过透明或高反射表面时可能会失效，若将其应用在智能驾驶领域，可能会影响对这类障碍物的识别。若能通过优化数据处理算法，减少LiDAR系统对硬件资源的依赖，将能提高此定位技术的实时性，也可将LiDAR与其他传感器技术相融合以提供更全面和可靠的环境感知能力。

图4 激光雷达定位系统

1.3 惯性导航系统（INS）定位

在一些激光雷达可能失效的环境中（如高反射表面），INS依赖内部传感器，不需要外部信号，仍能维持定位能力。INS主要由惯性测量单元（Inertial Measurement Unit, IMU）、信号预处理单元和机械力学编排模块组成，通常包含三轴加速度计和三轴陀螺仪，惯性导航系统组成如图5所示。

INS依靠内置传感器实现自主定位，利用加速度计和陀螺仪的输出进行两次积分，从而获得三维位置信息和旋转信息。INS广泛应用于航空航天（如飞行器导航）、海洋航行（如潜艇定位）、自动驾驶（如无人驾驶汽车）、消费电子（如智能手机导航）和地震监测（如地震活动追踪）等领域。具体数据显示，当前市场上高精度INS系统的定位精度可达0.1%～0.5%。INS通过内置传感器实时计算位置和方向，无需等待信号传播，因此响应速度快，适合动态环境和高速运动的应用场景，在短期内INS可以提供非常精确的位置信息。

然而，由于INS的定位误差会随时间积累，在长时间定位中误差可能会达到数公里，这限制了INS定位技术在长期应用中的有效性。而高精度的加速度计和陀螺仪价格高达数千美元，使得其无法广泛用于消费级产品，且其定位精度会受到温度振动以及其他环境因素的影响。在一些应用中，如无人机即车辆导航，常常将INS与GPS结合使用，以实现互补优势即GPS提供长期导航，而INS用于在GPS信号丢失的短暂时段定位。

图5 惯性导航系统组成

1.4 磁定位

与依靠机械传感器的INS不同，磁定位通过感知磁场的微小变化来确定位置，由于磁定位不受物理振动或温度变化的影响，它在一些特定环境中比INS更为稳定。最基本的磁定位方法是基于地磁进行定位，但其在获取初始位置时存在一定的困难。为了提高定位精度，目前主流的磁定位技术采用在道路中埋设磁信号源的方法，常见的信号源包括磁带、信号电缆和磁钉，以及三者的组合使用，如图6所示。

这些信号源能够创建稳定的磁场，使得磁定位系统的精度通常可达10～20 cm。埋设磁信号源的磁定位方法虽然精确，但部署和维护成本高，需要对现有路面结构等基础设施进行较大的修改，虽然磁定位不受天气和光照影响，但它极易受到来自道路上的车辆、附近的建筑物或其他任何含有金属的物体的干扰。磁定位可以用于辅助自动驾驶汽车和其他车辆的精确导航，特别是在GPS信号受限的环境中，如隧道或城市高楼之间的街道。

图6 基于磁钉导航的自动驾驶技术

1.5 无线通信定位

与磁定位相比，无线通信定位在室内或地磁较弱的环境中定位性能通常更优，它可以利用多个基站之间的信号差异来提高精度。其中，UWB定位技术尤为突出。UWB技术通过发射非常短的非正弦波形脉冲（通常在ns～ms级别），利用这些脉冲的到达时间或到达时间差来确定位置，其定位原理如图7所示。UWB的定位精度可达10 cm以内，在复杂环境中，如有多个反射面的场所，UWB技术因其脉冲宽度短，能够有效区分直达信号和反射信号，从而可以减少多路径效应的影响但仍不能完全避免。

由于UWB信号宽频带特性使得其具有较好的穿透能力，能够在一定程度上穿透墙壁和其他障碍物，在实际运行中UWB在发送短脉冲时消耗的能量较少，适合长时间运行的应用。在车路协同系统中，UWB可以用于精确测量车辆之间的距离和位置，从而提高道路安全，特别是在复杂或拥挤的交通环境中。此外，UWB也可以在停车场中用于自动泊车系统，提供精确的车位定位。然而，UWB也面临一些挑战，如其硬件问题导致的晶振偏差和动态定位中的动态误差。此外，UWB基站的部署需要大量的人力、物力和财力，使其在室外大规模环境中的应用受到限制。

图7 UWB定位原理

1.6 地图匹配定位

相对于基于信号的无线通信定位，地图匹配定位技术通过与预构建的高精度地图对比来确定位置，在视觉或激光雷达数据丰富的城市环境中精度更高。尤其是在复杂的道路网络中，地图匹配定位流程如图8所示。

这种技术主要包括视觉地图匹配和激光雷达地图匹配两种方法。视觉地图匹配通过相机捕获周围环境的图像，并与地图中的图像特征进行匹配以估计车辆的实时位置。这种方法成本相对较低，但对光照条件敏感，且在环境或视角变化大时可能出现匹配错误。视觉匹配的定位精度通常在10～30 cm范围内。激光雷达地图匹配利用点云信息与预先构建的地图进行匹配，这种方法不依赖光照，因此在多种天气和光照条件下均能稳定工作。激光雷达能提供更高的定位精度，约为5～10 cm，非常适合需要精确导航的应用。

然而，这种技术的设备和维护成本较高，数据处理也较为复杂。地图匹配技术有效地避免了误差累积，使定位精度可达cm级，广泛应用于自动驾驶和智能交通系统。尽管如此，这种技术的制作和维护相当复杂且成本高昂。高精度地图的创建和定期更新需要大量的投资，激光雷达测绘每km的成本可达数万元，并且需要频繁更新以反映环境的变化，增加了长期运营的经济负担。

图8 地图匹配定位流程

1.7 视觉定位系统

与地图匹配技术相比，视觉定位对环境的视觉特征依赖更大，而不是仅仅依靠地理位置数据。该系统通过摄像头捕获周围环境的图像，并利用计算机视觉技术分析这些图像来确定设备的位置和方向。这一过程包括识别图像中的特征点，如角点、边缘或其他显著特征，并将这些特征点与已知的地标或地图数据进行匹配。通过这种匹配，系统不仅能够计算出设备在空间中的精确位置，还能确定设备的姿态，即在空间中的方向。视觉定位系统如图9所示。

相比于激光雷达等高成本传感器，摄像头更为经济，易于大规模部署。视觉定位系统广泛应用于自动驾驶汽车、机器人导航和增强现实等领域，特别适用于GPS信号受限的室内环境。然而其精确性高度依赖环境光照条件，在光线不足或反射强烈的环境中可能会受到影响。视觉定位系统通常会与其他传感器技术结合使用，提高定位的准确性和鲁棒性。

图9 视觉定位系统

1.8 扫码定位技术

相比于视觉定位技术，扫码技术则提供了一种更直接且控制性强的定位方法，适用于指导用户到达特定位置。这项技术通过在特定位置放置标记的二维码或条形码实现，在定位过程中，二维码通常被打印并贴在各种物体或建筑物上，如图10所示。

当用户使用智能手机或专用扫描设备扫描这些二维码时，内置或第三方应用程序解析出编码的数据，并将其转换为具体的地理位置信息。扫码定位系统的核心是二维码的信息密度和安全性，二维码可以嵌入大量数据，包括网址、地理位置标识符和其他元数据。这使得二维码不仅可以存储位置信息，还可以包含有关该位置的具体详情，如访问时间、安全访问权限等。

然而，这也带来了安全挑战，因为二维码容易被复制或篡改。若未采取适当的安全措施（如加密、动态生成二维码等），可能导致信息泄露或误导用户到错误的位置。目前扫码定位技术可以与其他系统集成，如GPS定位以及增强现实（Augmented Reality, AR）技术，以提高用户体验和定位准确性。例如，扫描二维码后，系统可以激活手机的AR功能，显示覆盖在用户实际环境中的虚拟路径指示。此外，结合使用GPS可以在室外环境中验证二维码的物理位置，可以增加系统的鲁棒性。

图10 二维码定位系统