藤本博志
東京大學 研究生院新領域創成科學研究科 教授
2017年起擔任未來社會創造項目 研發負責人
歐美等國正大力推進通過無線方式從路面向電動汽車（EV）供電，以實現「行駛中無線供電」的系統。為了在這場技術主導權競爭中不落後，東京大學研究生院新領域創成科學研究科的藤本博志教授，與日本政府及20餘家企業合作，正在推進相關研發。2023年10月，研究團隊在千葉縣柏市開展了日本首次公路實驗，目前實驗還在進行之中。為此，我們專訪了致力於實現行駛中無線供電系統研究的藤本教授，聽他講述了研發歷程以及對前景的展望。
可以使用體積小重量輕的電池
深入研究「磁共振耦合方式」
有一種充電器，只需將智慧型手機放在上面即可充電。電動汽車（EV）在行駛中無線供電技術正是運用了與之相同的原理。東京大學研究生院新領域創成科學研究科藤本博志教授介紹道：「在道路下埋設供電線圈，當裝有受電線圈的電動汽車在路上行駛通過時，即可實現無線充電」（圖1）。藤本教授自2017年入選日本國立研究開發法人科學技術振興機構（JST）「未來社會創造項目」以來，一直擔任該項目的研發負責人。
圖1 埋設於公路上的供電線圈與實驗車輛
圖中為埋設於千葉縣柏市筑波快線（TX）柏之葉校園站附近道路下的供電線圈以及搭載受電線圈的實驗車輛。研究團隊於2023年10月在此地開啟了實證試驗。
行駛中無線供電技術的核心價值在於能夠實現電池輕量化。相比燃油車，電動汽車的續航距離較短，要延長續航距離就需要增加電池容量。然而，增加電池容量會導致車身變重，從而陷入由於車身重量增加而需消耗更多能量的兩難境地。然而，如果實現了行駛中無線供電，那麼使用小型輕量的電池也能滿足延長續航距離減少能耗的需求。電池小型化不僅能降低整車成本，同時，由於製造電池的金屬資源一直存在供應不穩定的風險，電池的小型化也能減少對金屬資源的依賴。
當前在電動汽車領域，無線供電普遍採用磁共振耦合方式，其原理基於通過磁場變化線上圈中產生電流的電磁感應現象。電動汽車供電的原理是，道路預埋的供電線圈通電後會產生磁場，磁場的變化會使安裝於電動汽車車體下方的受電線圈產生電流。當電動車通過供電線圈時，受電線圈與之相互感應，電流便可從供電端傳輸到受電端，實現電能傳輸。自從入選未來社會創造項目以來，藤本教授領導的研究團隊就一直在開展該技術的研發。
供電區間設置在信號燈前30米處
10秒充電可行駛1公里
提升電力傳輸效率也是研究團隊一直在重點突破的方向之一。供電端向受電端供電時，最大限度地降低能量損耗，以提高供電效率。為此，其首要任務是縮短並穩定線圈間隙（即空氣間隙，air gap）。藤本教授解釋道：「在磁共振耦合方式中，如果空氣間隙過大，以及車輛在行駛中因車身起伏導致車身與路面的空氣間隙產生變化，都會降低電力的傳輸效率」。
對此，研究團隊選擇將受電線圈安裝在車底「下控制臂（lower arm）」的位置。該部件離路面距離最近，且行駛過程中隨輪胎一起上下移動，因此與路面的間距可以保持一定。這一設計成功將受電線圈與路面之間的空氣間隙控制在5.5釐米。同時，為了探討供電線圈在道路上的最佳埋設位置，藤本教授團隊大量採集了車輛在公路上實際行駛的數據。
研究團隊通過採集的行駛數據，分析車輛距離停止線的位置以及處於該位置的累計頻率兩者之間的關係，發現在整個行駛時間中，大約25%的時間，車輛停留在距離信號燈前方30米的範圍內。（圖2）。根據這一發現，藤本教授提出了一個假設：將供電線圈設置在信號燈前30米的區間內為最佳選擇。「在信號燈前，車輛不僅停車時間長，還會減速。因此我們認為無需全線鋪設，僅在此區間進行供電也許就可滿足需求。」藤本教授回顧道。
圖2 行駛中無線供電系統概要與效果示意圖
該系統通過將電網交流電轉換為直流電，並利用磁共振耦合現象，實現從道路埋設的供電線圈向車輛受電線圈的電力傳輸。不僅在等紅燈等臨時停車時可以供電，即使在車輛行駛時也能夠進行供電。
藤本教授通過模擬計算驗證了上述假設。結果顯示：在不進行充電的情況下，電動汽車行駛約220公里後，電池電能會降至一半以下。而如果在信號燈前30米的區間內，使用兩臺輸出功率為25瓩的供電線圈進行供電，則可以維持電池電能不減少。「該系統可實現每秒充電約100米的續航里程，這意味著在紅燈前停車10秒即可獲得足夠行駛至下一信號燈的電能」。模擬計算的數據表明，由於電池電能波動幅度顯著減小，這種供電系統不僅能夠延長電池使用壽命，還可有效緩解電池性能的劣化問題。
在正式研究中合作機構激增
對革新技術的投資充滿挑戰精神
在未來社會創造事業「探索加速型」項目的探索研究階段，研究團隊完成了行駛中無線供電系統的基礎研發，一系列成果獲得了高度評價，並於2021年進入到了正式研究階段。研究團隊以公路行駛實驗為目標，將目光投向了從研究室所在地的東京大學柏校區與最近的筑波快線（TX）柏之葉校園站之間運行的自動駕駛專屬線巴士上。藤本教授解釋道：「我認為社會應用的第一階段應該是特定運營商使用特定車輛的系統，這樣做可以明確道路基礎設施方面的負擔。」
負責開展行駛中無線供電公路實驗的是由產官學共同組建的「柏ITS推進協會」。ITS為智慧型交通運輸系統（Intelligent Transport Systems）的縮寫，該協會正在開展將柏市打造成為「低碳型交通城市」以及「新一代環保型城市」的各類相關項目。在推進日本國內的社會應用的同時，藤本教授也將目光投向了全球。「歐洲各國已經製定了公路實驗的具體方法，以及國際標準化技術方案。日本再不行動就會落後，因此必須盡快開展公路試驗，迎頭趕上。」藤本教授神情嚴肅地說道。
研究初期，僅有汽車零部件製造商「日本精工」以及工業用電控制綜合製造商「東洋電機制造」兩家公司各派出的1名員工加入了藤本研究室，小規模啟動企業聯合研究。然而，伴隨著業界對於危機意識的共鳴，到了正式研究階段，合作研究機構與協作研究機構數量迅速增加。藤本教授回憶道，感受到了主動申請合作的日本國內製造企業 「將日本原創技術發展成全球技術，向革新技術投資」的挑戰決心。
在開展公路實驗前，藤本教授等人已成功確立了供電線圈的相關技術。首要是開發與路面一體化的高耐久預製線圈。在探索研究階段，供電線圈是直接放置在路面上的，為了實現將其埋入道路中，團隊設計出了高耐久預製線圈（圖3）。高耐久預製線圈需要具有耐久性。由於需要最大限度縮短道路與車輛供受電線圈間的空氣間隙，線圈的埋設深度僅為2.5釐米。一旦路面損壞導致線圈受損，無線充電就無法進行。
圖3 正式研究階段開發的高耐久預製線圈
採用纖維強化混凝土製成的供電線圈嵌入式路面。即使很薄也能發揮高強度特性，線圈埋設深度僅2.5釐米左右即可。這一設計有效控制了車輛受電線圈與路面供電線圈之間的空氣間隙。
雖然使用鋼筋混凝土可以增強路面強度，但是因為會影響磁場，所以無法使用。為此，研究團隊改為使用纖維強化混凝土。在位於茨城縣筑波市的土木研究所的鋪裝行駛實驗設施中，使用軸重11噸的自動駕駛卡車對高耐久預製線圈進行了40萬次碾壓測試，驗證了其耐久性。藤本教授回憶起當時的艱辛時說：「我們針對測試中發現的問題不斷改進，花費約一年時間才最終完成。」
開發無浪費零洩漏的檢測技術
已提交國際標準化方案
研究團隊還開發了對自然界的磁場洩漏安全保障技術。磁共振耦合方式會在自然界產生磁場。如果該磁場對設備和人體存在安全隱患，就無法實現社會應用。根據日本《電波法》規定，安裝符合一定標準的高頻設備需要獲得總務大臣的許可。為了獲得該許可，必須將供電線圈在自然界中產生的電磁場強度控制在許可基準範圍內。同時，還不能超過世界衛生組織（WHO）認可的非政府組織規定的電磁場強度標準。
為此，藤本團隊採用了「磁場抵消」技術，以確保將電磁場強度控制在各項標準值以下。高耐久預製線圈中埋設了左輪用和右輪用兩組供電線圈。藤本教授對其原理解釋道：「向兩組線圈分別輸送反向電流，使其產生反向磁場。在距離約10米的位置，磁場相互抵消，從而有效抑制了電磁場強度。」
此外，研究團隊還開發了檢測充電車輛技術（圖4）如果讓供電線圈始終保持供電狀態，不僅會造成極大的能源浪費，還可能導致洩漏磁場超出《電波法》許可標準。為此，研究團隊設計了一種智慧供電機制：當搭載受電線圈的車輛接近至約100米距離時，系統進入線圈檢測模式，僅在受電線圈位於供電線圈正上方時才開始供電的無浪費無洩漏的檢測技術。團隊在車輛上安裝了搭載GPS的4G通信終端，並在供電設備上也配備了4G通信終端。「無需使用外部傳感器，僅憑供電線圈獲取的資訊即可實現車輛檢測。該技術被稱為‘東大方式’ 。」
圖4 受電線圈檢測與供電電流控制
系統可檢測與特定頻率共振的受電線圈，並高速控制供電電流
這種「東大方式」已提交至國際標準化機構——國際電工委員會（IEC）。研究團隊與協助研究方豐田汽車、共同研究方電裝公司共同完成了技術文件，並已被IEC正式接受。經過長期的技術研發積累，在2023年10月終於正式啟動了公路試驗。實驗由藤本教授擔任部會長的「柏ITS推進協會」新型車輛研討部會負責實施。該項目還被納入日本國土交通省道路局公開徵集的「道路相關創新舉措實地驗證實驗（社會實驗）」項目。
電力傳輸效率達96.4％以上
公路試驗將延長至今年春季
藤本教授等人基於燃油車型的專屬線巴士的行駛數據，模擬計算了在公路上需要安裝的供電線圈的數量。結果顯示，如果在運行區間內的5處信號燈前和3處公車站點全部設置供電線圈，電池電能將會呈現上升趨勢。「雖然也知道8處全部設置可能多了些，但要精確計算出最佳佈設數量還需要更多的基礎數據。目前我們正在通過公路試驗收集這些相關數據。」藤本教授解釋道。
公路試驗使用的是兩款改裝的市售車輛。一款是改造成電動款的豐田「海獅」，另一款是插電式混合動力（PHV）車型「RAV4」。車輛底部安裝了受電線圈，並配備了可對應25瓩輸出功率供電線圈的系統（圖5）。之所以選用PHV車型，是因為不同國家實現汽車去碳的方案不盡相同，並非所有國家都單一選擇EV。「為了提高對不同方案的適應力，我們同時採用了EV和PHV兩種車型。」藤本教授補充道。
圖5 車載系統
車輛底部安裝的是受電線圈，車內搭載的是測量與控制裝置。
供電線圈以高耐久預製線圈的形式，埋設在柏校區與柏之葉校園站之間T字路口前的兩處相鄰位置。研究團隊在附近人行道上安裝了逆變器裝置，通過地下埋設的電纜向供電線圈輸送電力。然而，現場施工總是伴隨著意外情況，在T字路口附近，車道與人行道之間埋有未預料到的鋼結構部件。為了避開這些鋼結構部件，不得不延長電纜。
這導致供電與受電線圈間進行電力傳輸的共振頻率發生了變化。藤本教授回憶道，正是這一經歷讓團隊深刻認識到為保證電力傳輸效率不受環境因素影響，必須提升系統整體的強韌性。目前，該系統最大優勢是電力傳輸效率已提升至96.4%以上（圖6），較最初的92%提高了4.4個百分點。藤本教授自豪地表示：「這可不只是供電與受電線圈之間單一效率的提升，而是從電網交流電轉換為直流電，再到最終為電池充電的整體系統效率的提升。這正是該系統的價值所在。」
圖6 電力傳輸實驗結果
將系統電力的交流電轉換為直流電，通過供電和受電線圈之間傳輸電力，為電池充電。在電力傳輸實驗中，提高供電側線圈的輸出功率時，電力傳輸效率隨之上升，最高紀錄達到了96.4%以上。
憑藉高效的電力傳輸性能，行駛中無線供電系統已將目光投向全球市場。值得慶幸的是，在地方政府和日本國土交通省的理解與支持下，作為社會應用前期階段的公路試驗期限延長了半年，至2025年3月。「這使我們能夠設定更多不同場景，還能嘗試多樣化的行駛模式。通過積累豐富的行駛數據，為實現社會化應用奠定基礎。」藤本教授滿面笑容，對未來的進程充滿信心。（TEXT：茂木俊輔、PHOTO：石原秀樹）
原文：JSTnews 2025年2月號
翻譯：JST客觀日本編輯部
