藤本博志
东京大学 研究生院新领域创成科学研究科 教授
2017年起担任未来社会创造项目 研发负责人
欧美等国正大力推进通过无线方式从路面向电动汽车（EV）供电，以实现“行驶中无线供电”的系统。为了在这场技术主导权竞争中不落后，东京大学研究生院新领域创成科学研究科的藤本博志教授，与日本政府及20余家企业合作，正在推进相关研发。2023年10月，研究团队在千叶县柏市开展了日本首次公路实验，目前实验还在进行之中。为此，我们专访了致力于实现行驶中无线供电系统研究的藤本教授，听他讲述了研发历程以及对前景的展望。
可以使用体积小重量轻的电池
深入研究“磁共振耦合方式”
有一种充电器，只需将智能手机放在上面即可充电。电动汽车（EV）在行驶中无线供电技术正是运用了与之相同的原理。东京大学研究生院新领域创成科学研究科藤本博志教授介绍道：“在道路下埋设供电线圈，当装有受电线圈的电动汽车在路上行驶通过时，即可实现无线充电”（图1）。藤本教授自2017年入选日本国立研究开发法人科学技术振兴机构（JST）“未来社会创造项目”以来，一直担任该项目的研发负责人。
图1 埋设于公路上的供电线圈与实验车辆
图中为埋设于千叶县柏市筑波快线（TX）柏之叶校园站附近道路下的供电线圈以及搭载受电线圈的实验车辆。研究团队于2023年10月在此地开启了实证试验。
行驶中无线供电技术的核心价值在于能够实现电池轻量化。相比燃油车，电动汽车的续航距离较短，要延长续航距离就需要增加电池容量。然而，增加电池容量会导致车身变重，从而陷入由于车身重量增加而需消耗更多能量的两难境地。然而，如果实现了行驶中无线供电，那么使用小型轻量的电池也能满足延长续航距离减少能耗的需求。电池小型化不仅能降低整车成本，同时，由于制造电池的金属资源一直存在供应不稳定的风险，电池的小型化也能减少对金属资源的依赖。
当前在电动汽车领域，无线供电普遍采用磁共振耦合方式，其原理基于通过磁场变化在线圈中产生电流的电磁感应现象。电动汽车供电的原理是，道路预埋的供电线圈通电后会产生磁场，磁场的变化会使安装于电动汽车车体下方的受电线圈产生电流。当电动车通过供电线圈时，受电线圈与之相互感应，电流便可从供电端传输到受电端，实现电能传输。自从入选未来社会创造项目以来，藤本教授领导的研究团队就一直在开展该技术的研发。
供电区间设置在信号灯前30米处
10秒充电可行驶1公里
提升电力传输效率也是研究团队一直在重点突破的方向之一。供电端向受电端供电时，最大限度地降低能量损耗，以提高供电效率。为此，其首要任务是缩短并稳定线圈间隙（即空气间隙，air gap）。藤本教授解释道：“在磁共振耦合方式中，如果空气间隙过大，以及车辆在行驶中因车身起伏导致车身与路面的空气间隙产生变化，都会降低电力的传输效率”。
对此，研究团队选择将受电线圈安装在车底“下控制臂（lower arm）”的位置。该部件离路面距离最近，且行驶过程中随轮胎一起上下移动，因此与路面的间距可以保持一定。这一设计成功将受电线圈与路面之间的空气间隙控制在5.5厘米。同时，为了探讨供电线圈在道路上的最佳埋设位置，藤本教授团队大量采集了车辆在公路上实际行驶的数据。
研究团队通过采集的行驶数据，分析车辆距离停止线的位置以及处于该位置的累计频率两者之间的关系，发现在整个行驶时间中，大约25%的时间，车辆停留在距离信号灯前方30米的范围内。（图2）。根据这一发现，藤本教授提出了一个假设：将供电线圈设置在信号灯前30米的区间内为最佳选择。“在信号灯前，车辆不仅停车时间长，还会减速。因此我们认为无需全线铺设，仅在此区间进行供电也许就可满足需求。”藤本教授回顾道。
图2 行驶中无线供电系统概要与效果示意图
该系统通过将电网交流电转换为直流电，并利用磁共振耦合现象，实现从道路埋设的供电线圈向车辆受电线圈的电力传输。不仅在等红灯等临时停车时可以供电，即使在车辆行驶时也能够进行供电。
藤本教授通过模拟计算验证了上述假设。结果显示：在不进行充电的情况下，电动汽车行驶约220公里后，电池电量会降至一半以下。而如果在信号灯前30米的区间内，使用两台输出功率为25千瓦的供电线圈进行供电，则可以维持电池电量不减少。“该系统可实现每秒充电约100米的续航里程，这意味着在红灯前停车10秒即可获得足够行驶至下一信号灯的电量”。模拟计算的数据表明，由于电池电量波动幅度显著减小，这种供电系统不仅能够延长电池使用寿命，还可有效缓解电池性能的劣化问题。
在正式研究中合作机构激增
对革新技术的投资充满挑战精神
在未来社会创造事业“探索加速型”项目的探索研究阶段，研究团队完成了行驶中无线供电系统的基础研发，一系列成果获得了高度评价，并于2021年进入到了正式研究阶段。研究团队以公路行驶实验为目标，将目光投向了从研究室所在地的东京大学柏校区与最近的筑波快线（TX）柏之叶校园站之间运行的自动驾驶专线巴士上。藤本教授解释道：“我认为社会应用的第一阶段应该是特定运营商使用特定车辆的系统，这样做可以明确道路基础设施方面的负担。”
负责开展行驶中无线供电公路实验的是由产官学共同组建的“柏ITS推进协会”。ITS为智能交通系统（Intelligent Transport Systems）的缩写，该协会正在开展将柏市打造成为“低碳型交通城市”以及“新一代环保型城市”的各类相关项目。在推进日本国内的社会应用的同时，藤本教授也将目光投向了全球。“欧洲各国已经制定了公路实验的具体方法，以及国际标准化技术方案。日本再不行动就会落后，因此必须尽快开展公路试验，迎头赶上。”藤本教授神情严肃地说道。
研究初期，仅有汽车零部件制造商“日本精工”以及工业用电气控制综合制造商“东洋电机制造”两家公司各派出的1名员工加入了藤本研究室，小规模启动企业联合研究。然而，伴随着业界对于危机意识的共鸣，到了正式研究阶段，合作研究机构与协作研究机构数量迅速增加。藤本教授回忆道，感受到了主动申请合作的日本国内制造企业 “将日本原创技术发展成全球技术，向革新技术投资”的挑战决心。
在开展公路实验前，藤本教授等人已成功确立了供电线圈的相关技术。首要是开发与路面一体化的高耐久预制线圈。在探索研究阶段，供电线圈是直接放置在路面上的，为了实现将其埋入道路中，团队设计出了高耐久预制线圈（图3）。高耐久预制线圈需要具有耐久性。由于需要最大限度缩短道路与车辆供受电线圈间的空气间隙，线圈的埋设深度仅为2.5厘米。一旦路面损坏导致线圈受损，无线充电就无法进行。
图3 正式研究阶段开发的高耐久预制线圈
采用纤维增强混凝土制成的供电线圈嵌入式路面。即使很薄也能发挥高强度特性，线圈埋设深度仅2.5厘米左右即可。这一设计有效控制了车辆受电线圈与路面供电线圈之间的空气间隙。
虽然使用钢筋混凝土可以增强路面强度，但是因为会影响磁场，所以无法使用。为此，研究团队改为使用纤维增强混凝土。在位于茨城县筑波市的土木研究所的铺装行驶实验设施中，使用轴重11吨的自动驾驶卡车对高耐久预制线圈进行了40万次碾压测试，验证了其耐久性。藤本教授回忆起当时的艰辛时说：“我们针对测试中发现的问题不断改进，花费约一年时间才最终完成。”
开发无浪费零泄漏的检测技术
已提交国际标准化方案
研究团队还开发了对自然界的磁场泄漏安全保障技术。磁共振耦合方式会在自然界产生磁场。如果该磁场对设备和人体存在安全隐患，就无法实现社会应用。根据日本《电波法》规定，安装符合一定标准的高频设备需要获得总务大臣的许可。为了获得该许可，必须将供电线圈在自然界中产生的电磁场强度控制在许可基准范围内。同时，还不能超过世界卫生组织（WHO）认可的非政府组织规定的电磁场强度标准。
为此，藤本团队采用了“磁场抵消”技术，以确保将电磁场强度控制在各项标准值以下。高耐久预制线圈中埋设了左轮用和右轮用两组供电线圈。藤本教授对其原理解释道：“向两组线圈分别输送反向电流，使其产生反向磁场。在距离约10米的位置，磁场相互抵消，从而有效抑制了电磁场强度。”
此外，研究团队还开发了检测充电车辆技术（图4）如果让供电线圈始终保持供电状态，不仅会造成极大的能源浪费，还可能导致泄漏磁场超出《电波法》许可标准。为此，研究团队设计了一种智能供电机制：当搭载受电线圈的车辆接近至约100米距离时，系统进入线圈检测模式，仅在受电线圈位于供电线圈正上方时才开始供电的无浪费无泄漏的检测技术。团队在车辆上安装了搭载GPS的4G通信终端，并在供电设备上也配备了4G通信终端。“无需使用外部传感器，仅凭供电线圈获取的信息即可实现车辆检测。该技术被称为‘东大方式’ 。”
图4 受电线圈检测与供电电流控制
系统可检测与特定频率共振的受电线圈，并高速控制供电电流
这种“东大方式”已提交至国际标准化机构——国际电工委员会（IEC）。研究团队与协助研究方丰田汽车、共同研究方电装公司共同完成了技术文档，并已被IEC正式接受。经过长期的技术研发积累，在2023年10月终于正式启动了公路试验。实验由藤本教授担任部会长的“柏ITS推进协会”新型车辆研讨部会负责实施。该项目还被纳入日本国土交通省道路局公开征集的“道路相关创新举措实地验证实验（社会实验）”项目。
电力传输效率达96.4％以上
公路试验将延长至今年春季
藤本教授等人基于燃油车型的专线巴士的行驶数据，模拟计算了在公路上需要安装的供电线圈的数量。结果显示，如果在运行区间内的5处信号灯前和3处公交站点全部设置供电线圈，电池电量将会呈现上升趋势。“虽然也知道8处全部设置可能多了些，但要精确计算出最佳布设数量还需要更多的基础数据。目前我们正在通过公路试验收集这些相关数据。”藤本教授解释道。
公路试验使用的是两款改装的市售车辆。一款是改造成电动款的丰田“海狮”，另一款是插电式混合动力（PHV）车型“RAV4”。车辆底部安装了受电线圈，并配备了可对应25千瓦输出功率供电线圈的系统（图5）。之所以选用PHV车型，是因为不同国家实现汽车脱碳的方案不尽相同，并非所有国家都单一选择EV。“为了提高对不同方案的适应性，我们同时采用了EV和PHV两种车型。”藤本教授补充道。
图5 车载系统
车辆底部安装的是受电线圈，车内搭载的是测量与控制装置。
供电线圈以高耐久预制线圈的形式，埋设在柏校区与柏之叶校园站之间T字路口前的两处相邻位置。研究团队在附近人行道上安装了逆变器装置，通过地下埋设的电缆向供电线圈输送电力。然而，现场施工总是伴随着意外情况，在T字路口附近，车道与人行道之间埋有未预料到的钢结构部件。为了避开这些钢结构部件，不得不延长电缆。
这导致供电与受电线圈间进行电力传输的共振频率发生了变化。藤本教授回忆道，正是这一经历让团队深刻认识到为保证电力传输效率不受环境因素影响，必须提升系统整体的强韧性。目前，该系统最大优势是电力传输效率已提升至96.4%以上（图6），较最初的92%提高了4.4个百分点。藤本教授自豪地表示：“这可不只是供电与受电线圈之间单一效率的提升，而是从电网交流电转换为直流电，再到最终为电池充电的整体系统效率的提升。这正是该系统的价值所在。”
图6 电力传输实验结果
将系统电力的交流电转换为直流电，通过供电和受电线圈之间传输电力，为电池充电。在电力传输实验中，提高供电侧线圈的输出功率时，电力传输效率随之上升，最高纪录达到了96.4%以上。
凭借高效的电力传输性能，行驶中无线供电系统已将目光投向全球市场。值得庆幸的是，在地方政府和日本国土交通省的理解与支持下，作为社会应用前期阶段的公路试验期限延长了半年，至2025年3月。“这使我们能够设定更多不同场景，还能尝试多样化的行驶模式。通过积累丰富的行驶数据，为实现社会化应用奠定基础。”藤本教授满面笑容，对未来的进程充满信心。（TEXT：茂木俊辅、PHOTO：石原秀树）
原文：JSTnews 2025年2月号
翻译：JST客观日本编辑部
