综述：采用无线电力传输技术的电气化道路系统，以实现电动出行：研究视角、现状不足及建议

《AUTOMATION IN CONSTRUCTION》：Electrified roadway systems with wireless power transfer for electric mobility: Research perspectives, gaps, and recommendations

　　肖晨|王浩
美国新泽西州罗格斯大学工程学院土木与环境工程系

**摘要**
带有感应耦合功率传输（ICPT）的电气化道路系统（ERS）可以在保持电动汽车（EV）移动性的同时，实现电力的无线连续供应。本文系统地总结了当前ERS与ICPT的技术状况，指出了研究空白，并提出了研究路线图。首先，本文概述了ERS相对于其他技术的技经评估，然后深入探讨了在充电效率和基础设施耐久性方面，电气化路面设计、建造和维护所面临的挑战，并结合了试点项目的发现。最后，讨论了ERS的生命周期分析，以评估其潜在的成本节约和环境效益。所发现的研究空白包括在不同情景下的经济可行性分析、与现有充电基础设施的整合、热机械电气耦合模型的缺乏以及标准化协议的缺失。本文为ERS的未来发展提供了建议，包括在网络和项目层面优化选址、验证多物理场设计以及进行全面生命周期分析，以支持ERS的可扩展部署。

**1. 引言**
传统的道路交通对环境有重大影响，因为它是空气污染和温室气体（GHG）排放的主要来源[1][2]。然而，随着全球主要经济体承诺在2050年或2060年前实现碳中和和净零碳排放，应对气候变化的势头正在稳步增强[3]。减少温室气体排放的迫切需求促使人们从内燃机（ICE）车辆转向电动汽车（EV）[4]。在政策支持和财政激励下，预计到2030年，全球电动汽车的销量将从25%增加到35%[5]。尽管电动汽车的快速增长为传统汽油和柴油动力车辆提供了有吸引力的替代方案，但其普及进展目前受到行驶里程有限和充电速度缓慢的限制[6][7]。因此，正在研究动态充电技术，以便在车辆行驶过程中为其充电，以缓解电动汽车车主的里程焦虑并促进电动汽车市场的扩展[8]。
动态充电技术主要分为两种：导电充电和感应充电。前者需要电动汽车与电源线之间建立直接的物理连接，以便从电网传输电力。尽管已开发出的原型提供了多种充电方式（如架空、地下或路边充电），但物理连接的固有缺点可能会影响行驶灵活性，并对电动汽车的安全性构成潜在威胁[9][10]。感应充电技术则通过利用电磁场实现电动汽车的无线充电。在此过程中，电网能量通过嵌入路面结构中的发射线圈传输，并由安装在车辆下方的接收线圈接收[11]。根据充电效率、空气间隙容忍度和适用性的比较，可以看出感应耦合功率传输（ICPT）技术成为各种无线充电方法中的优选方案[12][13]。因此，ICPT受到了研究人员和政治倡议的广泛关注。根据美国联邦公路管理局（FHWA）的标准[14]，ICPT已经达到了较高的技术成熟度（TRL）水平，并在实际应用中展示了成功运行，证明了其适用于实用的电气化道路系统（ERS）。
ERS与ICPT技术的概念最初是在20世纪70年代美国的石油危机期间提出的，加州大学伯克利分校于1992年进行了首次实质性研究[15]。当时的充电单元被嵌入路面结构中，但由于高功率导轨建设成本和低功率传输效率的问题，这一技术未能实现广泛商业应用[16]。后来，这些问题在韩国自2009年以来成功运行的在线电动汽车（OLEV）项目中得到了解决[17][18]。目前，ERS与ICPT的可行性正在积极研究中，全球已开展了许多试点项目，包括比利时的Flanders' DRIVE项目、西班牙的Victoria项目、欧盟的FABRIC项目以及德国的Primove项目等[19–21]。
虽然全球已启动了多项试点项目，但大多数项目仅限于几百米的实验性路面路段，并且这些路段都是在受控环境下进行测试的，而非在实际交通条件下。关于将充电系统整合到路面基础设施和现有道路网络中的整体影响的研究仍然有限。因此，需要从基础设施和交通两个角度评估ERS与ICPT，以便为未来的电动汽车普及做好更好的规划和准备[5]。
另一方面，为了确保ERS与ICPT的经济可行性，必须进行成本分析，以量化基础设施建设所需的投资。此外，电动汽车的一个主要优势是能够消除尾气排放。要充分理解这一优势，需要对整个ERS与ICPT系统（包括道路和充电基础设施）进行彻底的环境影响研究，这需要应用生命周期评估（LCA）和生命周期成本分析（LCCA）。因此，对ERS与ICPT的LCA和LCCA进行详细文献回顾对于明确该技术的环境和经济影响以及识别研究空白至关重要，这对于开发出能够有效减少系统环境足迹的经济可行解决方案至关重要。

**2. 目标与范围**
本研究旨在系统地探讨实施ERS与ICPT过程中不同阶段的研究空白，并基于对文献工作的全面和批判性审查，提出未来的研究路线图。研究范围包括：
- ERS与ICPT的技经评估
- ERS与ICPT的设计、建造和维护考虑及挑战
- ERS与ICPT的生命周期成本和环境效益
- ERS与ICPT的建议和未来研究路线图

**3. ERS与ICPT的技经评估**
技经评估（TEA）是一种确定新技术经济可行性和技术性能的有效方法。最近的技经评估主要集中在固定能源输送领域，包括评估城市共享充电站[22][23]、研究本地可再生能源的整合[24]以及优化混合能源框架[25]。这些努力已扩展到重型车辆应用，以满足高功率固定充电需求[26]和用户偏好建模[27]。尽管在固定充电研究方面取得了进展，但只有少数研究针对ERS与ICPT技术进行了TEA评估。因此，有必要将ERS与ICPT的商业可行性与其他解决方案（如固定无线充电、插电充电站、架空导电充电和传统柴油燃料选项）在不同环境下的表现进行对比，如图1所示。这可以为决策者提供不同充电技术的技经比较依据。

从技术可行性角度来看，Bi等人（2016）报告称，电动汽车无线充电应用的传输距离通常在100至300毫米之间，这与实际的车辆-路面间隙相符，支持了ERS与ICPT的可行性[28]。Hanawa等人（2023）进行了实地实验，评估了在大约250毫米的车辆-路面间隙下的功率传输效率和输出功率[29]。通过在路面中嵌入不同几何形状的矩形发射线圈（深度为0至6厘米），测量到的传输效率在88%至95%之间，足以满足标准车辆的充电需求。通过在路面材料中添加磁性添加剂，可以进一步提高传输效率，从而增强磁耦合效果，并减轻因嵌入深度过大或对齐不良导致的效率降低[30]。正在进行的研究和试点项目表明，ERS与ICPT技术可以实现连续充电，减少对大型车载电池的依赖，延长电动汽车的行驶里程而无需频繁停车。例如，韩国KAIST的OLEV项目（第四代）的现场演示显示，在20厘米的空气间隙下，电动公交车的功率传输效率达到了25千瓦[31]。
同时，技术发展表明，电磁耦合硬件和车辆侧协调功能都可以针对实际运行进行工程设计。具体而言，ISO 19363为ERS与ICPT定义了系统级要求，并明确解决了车辆-基础设施交互、运行协调和道路规模的安全问题[32]。此外，SAE J2954标准已从早期的可行性指南发展成为轻型和中型车辆无线充电的正式互操作性标准，建立了对对齐、定位公差、功率等级和电磁兼容性的共同定义[33]。最近，SAE J2954的标准范围已扩展到更高功率的无线传输概念，反映了人们对重型和动态充电应用的日益关注。总体而言，现场演示和标准化进展表明，ERS与ICPT在技术上是可行的，并且正在向规模化及长期验证方向发展。
从经济可行性角度来看，Vidhya等人（2021）进行了技经评估，比较了插电充电方法和ERS与ICPT，考虑了土地可用性、充电站选址和布局、充电基础设施要求以及维护等实际部署因素[34]。研究发现，在高利用率走廊和长距离行驶情况下，电气化运营的较低成本可以部分抵消较高的初始投资。Konstantinou等人（2021）报告称，当电价低于30美分/千瓦时时，包括所有权、运营、维护和能源成本在内的ICPT电动卡车的每英里总成本低于传统柴油卡车[35]。Guo等人（2023）对机场穿梭巴士的ERS进行了全面的技术经济分析，比较了传统柴油燃料、插电充电和ICPT系统[36]。结果显示，传统柴油穿梭巴士的年成本比插电充电系统高出约70%，主要是因为燃料和排放成本较高。与插电充电相比，ERS与ICPT使总成本降低了约20%，因为它减少了车载电池的体积，从而降低了大约90%的电池相关成本。
在国家系统层面，Domingues-Olavarría等人（2018）评估了丹麦的不同电气化方案，包括插电充电、在主要道路上为卡车/巴士部署的架空导电ERS，以及为乘客和商用电动汽车部署的ERS与ICPT[10]。与插电充电基线相比，架空导电方案的成本降低幅度不到10%，因为它主要惠及长途卡车。相比之下，ERS与ICPT允许包括轻型车辆在内的广泛车队使用，从而实现电池体积缩小高达80%，而不影响使用性。因此，相对于插电充电方案，ERS与ICPT使社会成本降低了约42%，相对于仅使用架空导电充电的方案降低了约38%。Quinn等人（2021）评估了美国ERS与ICPT的技术经济可行性，并与传统的内燃机车辆系统进行了比较[37]。结果显示，在电动汽车市场渗透率为20%的情况下，当ICPT同时部署在州际公路和城市道路上时，道路电气化投资可在大约2.6年内通过累计社会节省成本完全回收；而当部署仅限于州际公路时，这一时间缩短至1.04年。
根据以往的研究，ERS与ICPT需要大量的前期投资，涉及电力电子设备、嵌入式充电组件和路面重建，但这些成本可以在一段时间后得到回报，并在有利条件下实现盈利。当考虑到燃料和电力成本的节省时，ERS相比传统道路具有更好的经济效益。此外，与插电充电站相比，后者由于需要更大的电池而成本更高。总体而言，尽管ERS的成功取决于高电动汽车渗透率和克服高初始投资成本，但这项技术具有很大的潜力，并能够带来投资回报。

**4. ERS与ICPT的基础设施发展**
本节回顾了ERS与ICPT的关键基础设施发展方面，重点在于将充电组件整合到路面系统中。与传统路面不同，电气化路面必须满足传统的结构和功能要求，同时应对嵌入式充电模块带来的额外挑战，如电磁兼容性、热行为变化、施工限制和维护复杂性。因此，本节讨论了设计挑战、多物理场建模、施工方法、性能评估、维护需求以及试点项目中的重要发现。4.1 电气化路面的设计挑战和考虑因素在带有ICPT的ERS中，由于加入了充电系统，电气化路面的设计标准发生了变化。图2展示了将ICPT与道路路面集成时面临的三个主要挑战。通常，电力传输组件包括电圈、屏蔽材料（铁氧体和铝板）以及保护和支持层[2]。无论充电系统的电磁设计如何，充电组件通常要么被封装在一个坚固的外壳中，然后再集成到路面中，要么直接集成到路面层中[38]、[39]。每种方法都会引入关键的接口问题。外壳提供保护，但在接头处会产生机械和热不匹配。直接嵌入会导致材料不均匀性，这可能会影响压实质量并在嵌入组件附近引起应力集中[19]、[40]。这些因素会加速路面的损坏和退化，因此需要仔细的设计调整。下载：下载高分辨率图片（275KB）下载：下载全尺寸图片图2. 在封装、安装和操作过程中将ICPT与路面集成所面临的挑战。ICPT系统的电磁设计通常要求在嵌入组件上方有一个最小或薄的磨耗层，以保持高效的电力传输[41]。试点项目中磨耗层的厚度差异很大，从35到40毫米[42]和80毫米[43]到高达50-200毫米[19]不等。然而，薄的表面层更容易疲劳和开裂，特别是如果与下层之间的粘结不足时。在带有ICPT的ERS中，电气化路面还会经历车辆行为的改变，例如频繁变道、制动或在充电时的加速，这会加剧表面磨损。此外，ICPT的运行会改变路面的温度分布，增加热诱导损坏（如车辙和开裂）的风险[44]。这些因素突显了需要超出传统路面设计的方法来应对带有ICPT的ERS所特有的结构和热挑战。对于柔性路面，加入充电系统会改变路面结构的关键响应，已经进行了多项相关研究。直接嵌入充电组件会导致材料不连续性，从而在电圈和铁氧体周围产生应力集中。类似于嵌入钢管的液压沥青路面，观察到相邻嵌入元件之间的拉伸应力增加[45]。沥青与ICPT组件之间的粘结不良会降低结构承载能力，并导致路面和ICPT系统受损[19]。当ICPT组件被安置在刚性外壳（例如预制混凝土箱）中并嵌入沥青路面时，外壳与周围沥青路面之间的模量不匹配会导致开裂，尤其是在外壳-沥青接口附近或当荷载接近外壳边缘时[46]。对于封装在聚合物箱中的带有ICPT系统的路面，量化了其粘弹性变形和疲劳寿命。在这种配置下，路面表面与聚合物箱顶部之间的最大间隙被用作潜在设备损坏的指标，发现外壳对路面疲劳寿命只有轻微影响[47]。还研究了电圈箱与沥青层之间的接口。研究发现，粗糙的接口在界面抵抗力方面没有显著提升，而在接口处施加树脂可以改善粘附性，并有望提高长期耐久性[44]。对于刚性路面，混凝土的高强度使得嵌入深度更浅，并能更好地支撑ICPT系统。在覆盖35-50毫米的混凝土板上进行的加速路面测试（APT）显示，在500,000次荷载循环后只有微小的细裂纹，没有对嵌入系统造成损坏[42]，这一发现也得到了比利时试点研究的支持[19]。热效应在带有ICPT的ERS的路面设计中也起着关键作用。主线圈和次线圈之间的不对准会增加功率损失和局部加热[2]。在高功率或高温环境下，过度的热量可能会软化沥青，降低粘结强度，并导致车辙或疲劳开裂[48]。在刚性路面中，温度的快速上升会导致板体膨胀、翘曲和热开裂[49]。尽管如此，对带有ICPT的刚性路面的耐久性评估显示了有希望的结果。庞巴迪（Bombardier）对带有嵌入线圈的预制混凝土板进行的APT测试显示，充电组件没有损坏，只有在重载下观察到表面开裂[42]。同样，Electreon（2023）报告称，在轴载高达16吨的情况下经过超过30,000次通过后，结构寿命没有减少，表明其性能与传统路面相当[50]。4.2 电气化路面设计的多物理场建模由于电气化路面中的机械-电磁-热效应耦合，多物理场建模已成为理解ICPT及其周围路面复杂行为的重要工具。现有工作广泛涵盖了电磁、热和力学建模，并且越来越多地尝试将这些领域结合起来。电磁建模是最成熟且研究最广泛的组成部分。许多研究评估了在不同线圈几何形状、空气间隙、不对准条件和屏蔽配置下的无线电力传输效率，主要假设空气作为传输介质[51]、[52]。最近的研究进一步考虑了路面材料作为磁传输路径的一部分，纳入了沥青和混凝土的介电和磁性质[53]、[54]。这些研究表明，线圈设计、嵌入深度和不对准情况会显著影响电力传输效率。当有实验室测量数据支持时，这样的电磁模型已经足够成熟，可以为ICPT的设计配置和参数选择提供依据。热建模主要用于证明线圈内的功率损失会在充电垫和周围路面材料中引起显著的温度升高，并通过实验进行了验证[55]、[56]。大多数现有分析是在静态充电条件下进行的，忽略了热冷却循环、空间变化的功率传输和环境效应。它们作为探索性研究，强调了加热效应不可忽视的作用。Kimura和Yuasa（2022）引入了一个热机械模型，考虑了无线充电组件在压缩载荷下的应力依赖行为，进一步将热分析扩展到不仅仅是电损耗驱动的加热[57]。Chen和Wang（2025）的最新工作纳入了交通条件、充电效率和环境因素，提供了动态充电条件下的热管理见解[58]。然而，当前的热模型与实际电动汽车交通流下的充电情况联系不够紧密，还不适合定义设计阈值。力学建模侧重于ICPT组件嵌入路面层后的结构影响，特别关注刚度不匹配和界面行为。研究表明，浅层嵌入的薄或柔性垫对整体路面应变的影响有限，而刚性或匹配不良的外壳材料则可能显著放大拉伸和压缩应变，尤其是在接口附近[59]、[60]。最近的研究进一步表明，由于充电引起的热梯度会显著增加路面应变，强调了热-机械耦合的重要性[61]、[62]。尽管取得了这些进展，大多数结构分析仍然独立处理电磁和热效应，或将它们作为外部输入，而不是解决完全耦合的过程。总体而言，多物理场建模为理解ICPT-路面相互作用和识别关键失效机制提供了坚实的科学基础。在这三个领域中，电磁建模最为成熟，基本上可以用于优化线圈配置、嵌入深度和不对准容忍度。然而，热和力学模型还不够成熟。要实现实际应用，需要考虑实际工程和环境条件的完全耦合的电磁-热-力学建模。4.3 电气化路面的施工电气化路面的施工过程需要根据充电组件的安装进行调整。虽然没有标准化的方法，但从试点项目中出现了四种施工方法，如图3所示。•基于沟槽的施工：电圈嵌入沥青或混凝土沟槽中，并覆盖预制或现场表面。这种方法成本效益高，可以使用低温沥青和非铁质骨料。然而，它容易受到热开裂的影响，可能需要更频繁的长期维护。•基于微沟槽的施工：在现有路面上切割狭窄的浅槽以放置电圈。这种微创方法支持快速安装，但对电圈的保护有限，并限制了它们的尺寸，可能会降低效率。•全车道宽度施工（现场建造）：电圈安装在跨越车道宽度的现场建造中。这种方法耐用且长期维护需求较少，但耗时且在施工过程中可能会造成干扰。•全车道宽度施工（预制或预製）：电圈嵌入预制混凝土板中。这种方法允许快速安装并在铺设过程中提供良好的保护，但成本较高，并存在板体移动、热膨胀和反射开裂的风险。下载：下载高分辨率图片（65KB）下载：下载全尺寸图片图3. 试点项目中在路面结构内安装ICPT系统的各种施工方法的示意图。电气化路面的典型施工从表面准备和去除路面（无论是沟槽还是全车道宽度）开始。使用精密安装系统来准确定位ICPT组件，以避免铺设过程中的错位[42]、[63]。基于沟槽的安装通常在车道中心或边缘形成纵向接头，在电源连接点形成横向接头。这些接头必须仔细设计，以防止水分渗透、荷载传递失败和裂缝扩展。接头附近的薄混凝土覆盖层特别容易退化，可能会损坏下面的电圈。施工时还需要考虑排水，因为水分会降低ICPT的性能[64]。ICPT系统的保护外壳包括水泥混凝土[42]、聚碳酸酯[29]、氯丁橡胶、聚丙烯（PP）和刚性聚氨酯（PEHD）[44]等材料。Imura等人（2021）进一步评估了在沥青路面上的PP外壳上添加额外保护层的性能。发现使用反射裂缝抑制片可以提高效率、电力传输和结构耐久性，优于拉伸膜和水泥混凝土[65]。安装ICPT系统后，应使用传统路面材料进行铺设。热拌沥青（HMA）具有高强度，但存在过热和损坏嵌入组件的风险。冷拌沥青（CMA）在比利时的一项试点项目中使用，避免了热风险，但层间粘附可能较差[19]。水泥-沥青砂浆（CAM）包含乳化沥青、水泥和硅砂，允许在室温下铺设而无需压实。然而，尽管对电圈安全有益，但它并不适合重交通[66]。在混凝土路面中，嵌入组件与周围混凝土之间的强连接对于防止板体断裂和模块位移非常重要[19]。为了在浇筑过程中保持均匀性和结构完整性，确保骨料在电圈和铁氧体元件周围顺畅流动至关重要[67]。对于带有传统钢筋的混凝土，建议用玻璃纤维拉杆代替钢筋以减少磁干扰。此外，无论是柔性还是刚性电气化路面，路面接头都至关重要。在基于沟槽的施工中，纵向接头通常在车道中心或边缘形成，而横向接头则出现在路边电源连接处[43]。这些接头必须仔细设计，以防止水分渗透、荷载传递不良和开裂。锯切不应直接放置在ICPT组件上方，因为接头附近的混凝土覆盖层较薄，更容易开裂和剥落，增加了对嵌入系统的损坏风险。4.4 电气化路面的状况评估加入充电系统会影响路面的完整性和结构承载能力。为了量化电气化路面的结构状况，评估了一些传统路面的无损检测（NDE）方法是否适用于电气化路面。由于带有ICPT系统的道路结构刚度和电磁场的变化，现有NDE方法的标准可能需要更新[2]。基于表面变形的方法，如落锤式弯沉仪（FWD）测试和交通速度弯沉仪（TSD）测试，已被广泛用于评估柔性[68]和刚性路面[69]的路面层状况。作为最常见的评估方法之一，FWD已被用于评估电气化路面的结构承载能力，并比较不同ICPT包装配置的结构影响[29]、[65]，从而从路面性能的角度为ICPT系统设计提供实际输入。然而，传统的层状弹性反演和弯沉指数是为均匀和水平层状路面开发的，而电气化路面有嵌入物和局部刚度不连续性。因此，需要在距离ICPT嵌入位置不同的位置进行弯沉测试。为了明确考虑局部异质性，有限元建模可以作为解释挠度盆地和估算层模量的替代方法。地面穿透雷达（GPR）也可以用来评估路面状况，如大空气孔洞、不均匀沉降和水分损害[70]，[71]。然而，需要注意的是，其在电气化路面上的应用可能会受到电子组件的影响。GPR信号行为取决于电磁特性，包括磁化率、介电常数和电导率[72]。电气化路面组件，如线圈、铁氧体和电力电缆，会改变这些特性，因此需要仔细选择雷达频率、采用先进的信号过滤方法和数据解释技术[73]。在实际应用中，在施工后立即建立GPR基线将非常有价值，以便在性能下降或系统故障发生时进行后续调查以支持状况评估。此外，鉴于电气化路面的独特热负荷，可以在运行过程中使用红外热成像来捕捉与功率损失相关的表面温度场。这能够快速且无损地识别可能表明局部效率低下或故障的异常加热模式。热映射还有助于确定故障段落，并验证电气化区域在代表性运行条件下的温度是否保持在可接受范围内，从而支持对热诱导的路面故障风险的评估。

4.5. 电气化路面的维护
通常，路面维护活动的目标是延长道路的服务寿命，防止渐进性损坏，并确保交通的安全和舒适性。由于缺乏标准化设计，预测电气化路面的维护需求具有挑战性[21]。由于ICPT组件集成在路面结构中，电气化路面的常规维护需要一些特殊考虑。例如，由功率传输损失引起的热运动，尤其是在混凝土中，可能导致接缝位置出现反射性裂缝。为了减轻这种情况，可以采用诸如应力吸收膜中间层（SAMI）、地质网格或锯切和密封技术等预防措施。一个通用的经验法则是，由于电气化路面的高投资和结构复杂性，预防性维护和表面保护至关重要。对于诸如车辙和疲劳裂缝等故障的容忍度低于传统路面，因为更换成本高昂且困难。由于现场回收和全深度修复通常不可行，维护应尽早安排，并且应限于表面层。建议进行持续的结构健康监测，以跟踪应力、变形、湿度和温度梯度。鉴于电气化系统的复杂性，维护期间的车道封闭时间可能比传统路面更长[21]。嵌入式ICPT组件的维护应通过定期检查和诊断来确保线圈和电子设备的功能。然而，当前的诊断工具可能无法在不损害路面的情况下有效检测故障。另一方面，冬季维护，如清除积雪和撒盐，仍然至关重要。积雪和冰层会干扰功率传输，增加能量损失。此外，充电系统的加热会改变冻融循环，导致未结合层吸收更多水分，削弱结构完整性，从而导致车辙或沉降[43]，[74]。

4.6. 试点项目的发现和经验教训
全球已经有许多电气化路面的试点项目正在建设中或计划建设中。电气化路面的实证应用为深入探索其潜在的优势和劣势提供了途径，这些优势和劣势可能会影响这项技术未来的广泛采用。表1总结了已经商业运营或用于研究目的的现场项目，以及关键发现和经验教训。“电气设计”一栏提供了ICPT的功率、能量传输效率和主要线圈类型；“路面结构”一栏介绍了路面类型、线圈安装方法和测试段几何形状（长度×宽度）。“发现和教训”一栏包括项目的独特性、路面性能观察结果以及可转移性的限制。

表1. 电气化路面试点项目的总结。
项目 | 电气设计 | 路面结构 | 发现和教训 | 独特性 | 路面性能 | 限制
|------|--------|-----------|------------|---------|---------|
| UC Berkeley, USA | 60 kW; 60%; 长轨道 | 现场安装; 沥青路面; 封闭式线圈; 2.8 m×0.5 m | 首条此类轨道; 测试段演示 | 由于外壳和路面材料之间的热膨胀不匹配导致开裂 | 高功率铁路建设成本（1百万美元/公里）; 效率低; 噪音大; 空气间隙不足 |
| KAIST, South Korea | 3-25 kW; 71% ~ 83%; 长轨道 | 基于沟槽; 沥青路面; 非封闭式 | 240 m×(0.1–1.4)m | 证明可以减小电池尺寸; 经过多代改进; 实际道路环境 | 具有骨结构核心的线圈具有类似混凝土的耐久性 | 为城市或低流量道路设计 |
| Bombardier, Germany | 200 kW; 90%; 长轨道 | 基于沟槽; 加强玻璃纤维覆盖层; 封闭式线圈; 300 m×0.8 m | 为不同类型的电动汽车开发了完善的运行模式; ICPT系统适用于不同环境; 测试段演示 | 高强度玻璃纤维材料制成的螺栓盖可能存在潜在问题 | 螺栓盖的结构性能不明确 |
| CIRCE, Spain | 50 kW; 83%; 分段式 | 预浇筑; 铝制覆盖层; 封闭式线圈; 0.6 m×0.8 m | 由于接收器较长，增强了屏蔽和充电脉冲; 在不对齐情况下效率较高; 实际道路环境 | 由于地面安装的发射器，可能容易受到热和湿度的影响 | 为低速（10公里/小时）的城市电动公交车设计 |
| VEDECOM, France | 20 kW; 85% ~ 96%; 分段式 | 基于沟槽; 加强玻璃纤维覆盖层; 封闭式线圈 | 证明对人类有轻微的电磁场影响; 测试段演示 | 高强度玻璃纤维材料制成的螺栓盖可能存在潜在问题 | 初始成本高（3百万欧元/公里）; 螺栓盖的结构性能不明确 |
| Utah State University, USA | 30 kW; 90% | 分段式 | 预浇筑; 混凝土; 非封闭式线圈 | 0.8 m×0.8 m | 通过实验室结构测试验证了设计; 测试段演示 | 由于嵌入ICPT垫，路面疲劳强度降低了约50% | 以原型为导向的板和通道 |
| Flanders Make, Belgium | 40 kW; 88% | 长轨道 | 现场安装; 混凝土和沥青 | 非封闭式 | 包含沥青和混凝土段; 使用冷拌沥青; 实际道路环境 | 混凝土段状况良好; 由于ICPT垫与顶层之间的粘附不足，沥青路面挠度较大 | 在长轨道线圈中添加了玻璃纤维连接杆 |
| Electreon, Sweden | 100 kW; 分段式 | 基于沟槽; 沥青 | 非封闭式线圈 | 1.5 m×0.5 m | 安装速度快，与铣刨/铺路工作流程兼容; 实际道路环境 | 挖掘时大岩石存在安装风险; 当被高温HMA覆盖时，线圈的橡胶屏蔽可能会损坏 |
| Electreon, Italy | 1 MW; 分段式 | 基于沟槽; 沥青 | 非封闭式线圈 | 环形电路段，使用不同的路面材料和厚度; 测试段演示 | 由于ICPT系统的存在，沥青层模量较低 | 由于设计速度高（110公里/小时），需要强大的电源供应 |
| Indiana DOT, USA | >200 kW; 分段式 | 基于沟槽; 混凝土 | 非封闭式线圈 | 通过小规模结构、热和电磁测试验证了设计; 实际道路环境 | 不适用（正在开发中） |
| Central Florida Expressway, USA | 200 kW; 长轨道 | 现场安装; 混凝土; 非封闭式线圈 | 支持长途卡车和客运车辆; 实际道路环境 | 试点项目主要集中在韩国、欧洲和美国。虽然亚洲也有报道的演示，但公开数据提供的信息不够详细。例如，中国建造的电气化路面测试段的功率为20-80千瓦，效率为75-90% [75]，而日本的另一个试点项目的功率为48-55千瓦，效率为94-96% [76]。还应注意，表1中总结的信息仅反映当前已记录的内容，不应被视为所有观察问题的全面记录，因为不同项目之间的技术披露程度随时间而变化。总体而言，电气化路面试点项目表明，动态无线充电在从长轨道铁路概念到基于分段模块的系统等各种架构中都是技术上可行的，并且功率水平从数十千瓦到兆瓦级都有。此外，这些项目从早期首创原型向更成熟的运营实现明显进步，强调了模块化、可建造性和与实际道路条件的兼容性。然而，大多数当前项目仅展示了短期性能，如功率传输能力、不对齐下的效率以及热或结构响应，以证明可行性和操作性，尤其是在受控交通条件下。在混合交通、季节性环境暴露和常规维护活动下的长期效率、安全性和耐久性的评估仍然非常有限。因此，在网络级部署之前，电气化路面的持续性能和生命周期成本是需要解决的主要不确定性。 |

电气化路面的试点项目一致表明，设计、施工、耐久性、维护和生命周期性能紧密相关，如图4所示。设计决策直接影响可行的施工方法和随后的路面性能。例如，减少ICPT嵌入深度以提高电磁效率可能会增加疲劳开裂的敏感性并缩短维护间隔，而刚性外壳可以改善结构保护，但会增加施工复杂性并提高接口相关风险。所选择的施工方法进一步决定了接缝性能、水分侵入以及嵌入式组件的可修复性，从而影响长期维护要求。鉴于这些限制，电气化路面预计将更多依赖于早期维护和以表面为中心的保护，而不是传统的修复和回收。因此，应在考虑这些相互依赖性的综合多标准框架内进行稳健的LCCA和LCA。

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图4. 电气化路面的设计、施工、性能、维护和生命周期结果之间的相互依赖性。

5. 带有ICPT的ERS的经济和环境影响
带有ICPT的ERS的经济和环境影响需要从生命周期的角度进行评估。除了技术性能之外，该技术的可行性还取决于它是否能在多样化的运行和环境条件下提供有利的长期经济回报、环境效益和可靠的操作。因此，本节综合了当前关于带有ICPT的ERS的生命周期成本分析、生命周期评估以及韧性和安全性的知识。

5.1. 带有ICPT的ERS的生命周期成本分析（LCCA）
带有ICPT的ERS的经济可行性取决于局部或全球规模。在局部层面进行带有ICPT的ERS的LCCA需要深入考虑多个因素。这些因素包括交通数据、车辆能耗模型、电力成本、电动汽车采用率、初始资本成本、运营费用以及处置和回收成本。例如，尽管全车道预制方法可以缩短封闭时间并提高施工质量，但它前期成本较高，而现场安装可能更具成本效益[35]。Konstantinou等人（2021）认为，具有高卡车交通量的州际公路是带有ICPT的ERS的最佳位置，并报告说，如果部署规模适当并伴有电网侧升级以满足电动汽车充电负荷，这样的项目对开发商来说是经济上可行的，并且对电动汽车所有者具有成本竞争力[35]。同样，Trinko等人（2022）报告了在洛杉矶I-710走廊实施了34公里的电气化道路段[81]。估计每车道公里的初始投资为651万美元，包括材料、劳动力、工程设计、施工管理、检查和其他间接施工成本。分析表明，相对于化石燃料，20年的经济可行性是可能的，但这强烈依赖于电动汽车的采用率。在特定环境中，例如机场终端之间的穿梭系统，Soares（2020）发现，在短链接（终端之间1英里）、中等速度（20英里/小时）和可预测的日里程（每辆公交车260英里）下，尽管初始成本较高，带有ICPT的ERS提供了更高的净现值（NPV）[82]。Lazzzeroni等人（2021）预测，在ICPT支持的电动汽车采用率从10%增加到60%、电气化走廊持续使用以及电力组合逐渐脱碳的情况下，避免的尾气排放可以在20年的使用寿命内节省高达0.16亿欧元的社会成本[83]。这些发现足以证明初始投资和运营成本的合理性；然而，需要进行长期经济分析，以考虑诸如技术演变、ICPT使用寿命期间的维护成本以及可能影响可行性的经济条件等变量。除了在局部层面考虑的因素之外，全球评估还需要分析多样化的地理数据、实际驾驶周期、电动汽车采用率、能源成本和基础设施部署费用，以及监管和政策差异。这种全面的考虑确保了对全球范围内ERS经济可行性的彻底评估。尽管有这些有希望的发现，但目前的研究往往集中在高交通量的城市地区，而在农村或交通量较小的地区的可行性和效益尚未得到充分研究。这一局限性指出了需要更广泛的评估，以考虑不同的电动汽车采用率和技术发展对长期经济可行性的影响。

5.2. 带有ICPT的ERS的生命周期评估（LCA）
电动汽车采用的巨大动力之一是与电动推进相关的环境效益的增加。除了评估电动汽车的减排外，还需要分析所需的配套措施，以确保新技术的可持续性收益。图5展示了电动出行的全面生命周期评估（LCA）框架，该框架整合了基础设施、设备以及从资源提取到能源使用的整个生命周期[84]。基础设施的生命周期包括材料生产、电子道路系统（ERS）建设、维护、运营和报废处理等过程。设备的生命周期包括制造、维护和退役，而从资源提取到能源使用的生命周期则涵盖了从能源载体生产、分配到消耗的整个过程。这一综合框架表明，电动出行的环境性能不仅取决于车辆本身的效率，还依赖于支持性基础设施和能源供应系统的可持续性。

据报道，在20年的使用寿命内，配备智能充电系统（ICPT）的电子道路系统（ERS）的能源消耗和二氧化碳排放量是传统道路系统的两倍。这种增加主要是由于ICPT组件的生产和安装，这些过程占总排放量的70%以上，同时与传统路面相比，ICPT需要更频繁的磨损层修复[84]。此外，在假设相同维护频率的情况下，ICPT在建设和运营过程中的二氧化碳影响也更大，导致20年生命周期内的总二氧化碳排放量增加了约5%[85]。如果冬季维护频率增加，这一总排放量将进一步大幅上升[85]。另一方面，与插电式充电站相比，根据车辆行驶里程、速度和剩余使用寿命采用优化策略在大约3%的车道里程上部署ERS，可以将温室气体排放量减少9.0%，能源消耗量减少约6.8%[86]。然而，为了进行全面的环境评估，还需要考虑ERS的整个生命周期环境影响，包括制造和系统报废所需的能源和资源[87]。

ICPT配备的ERS的环境效益受到电动汽车（EV）普及率和ERS覆盖范围的影响。从基础设施的角度来看，在20年的设计寿命内，ERS的每公里能源需求和排放量几乎是传统道路系统的两倍，这主要是由于WPT组件的生产和安装以及更频繁的维护需求[84]。尽管存在这些前期成本，但在较高的普及率和覆盖范围内，其运营效益可能是显著的。例如，在美国40%的道路中使用ERS且电动汽车市场渗透率达到20%的情况下，与内燃机车辆相比，空气污染物可减少20%，能源消耗和碳排放量可减少10%[37]。在欧洲和瑞典，如果25%的道路都部署了ERS且电动汽车市场渗透率达到100%，累计二氧化碳减排量可达9000万至1.34亿吨[88]。然而，二氧化碳减排量受到为ERS供电的电力来源的显著影响。在电力生产严重依赖化石燃料的地区，其环境效益可能不如电力来源更清洁的地区明显。

5.3. 配备ICPT的ERS的韧性和安全性

由于配备ICPT的ERS依赖于持续且不间断的电力供应，确保其安全性和韧性至关重要。然而，ERS所需的基础设施容易受到各种环境威胁的损害，从而严重影响其运行。极端天气事件，如洪水、野火或极端温度，会对ERS的电子组件造成严重风险。例如，洪水可能导致嵌入式电子组件（如感应环路和传感器）短路甚至永久性损坏，而这些组件对系统的电力传输能力至关重要[89]。野火不仅会威胁物理基础设施，还可能通过损坏电力供应线路或控制系统而中断服务[90]。此外，引入ERS引发了关于长期暴露于电磁场（EMF）潜在健康影响的担忧。虽然当前科学研究的共识认为ERS产生的电磁场水平是安全的，但随着系统规模的扩大和更多数据的获取，持续评估仍然十分必要[91]。对于携带医疗植入物或设备的旅行者来说，电磁场暴露的安全风险需要通过严格的监管和持续监测来确保暴露水平符合国际公认的安全标准[92]。

6. 识别出的差距和未来建议

尽管关于ERS的研究日益增多，但仍存在一些关键的知识空白，这些空白限制了其大规模应用。这些空白涉及多个领域，包括充电基础设施的网络级规划及其对交通的影响、经济分析的不确定性、配备ICPT的电气化路面的耐久性、标准化以及商业模式。本节总结了已识别的差距和未来研究建议，并提出了相应的路线图。

6.1. 识别出的差距

为了使ERS能够正常运行，在网络层面选择ERS的位置和容量时需要综合考虑道路功能分类、电力连接、现有充电站的可用性等因素。虽然已经开发了一些宏观交通模拟模型来指导ERS的选址，但这些模型仅关注交通流量，而没有考虑现有充电基础设施和电力设施的分布。在项目层面，ERS的位置和容量规划需要考虑电动汽车（特别是电动卡车）的普及率和分布以及由此引起的交通影响。ERS可能导致的交通波动，如频繁的车道变换、制动和加速，可能会改变宏观路线偏好并影响整个网络的交通拥堵情况。然而，关于个别交通行为及其对宏观交通动态影响的研究较少。

从经济角度来看，目前的研究仅限于电动汽车普及率和道路类型变化较小的特定路段，这种狭隘的关注限制了结果的普遍性，未能全面捕捉各种交通条件和区域情景下的潜在影响和效益。此外，ERS的建设成本往往被简化或忽略，从而影响了经济分析的准确性。将当前分析扩展到更广泛的道路类型、施工细节和交通模式将有助于全面了解经济可行性，并改进ERS部署的战略规划。

另一方面，将ICPT系统整合到现有道路基础设施中存在重大的工程挑战，可能导致结构过早退化。通常，发射器组件在集成到路面之前会被封装在一个坚固的外壳中，或者直接嵌入路面。外壳提供了额外的保护，但引入了具有不同机械和热性能的接口，可能导致过早损坏。直接嵌入可能会造成材料不均匀性，影响压实质量，并引发应力集中。此外，为了提高电力传输效率，通常会在发射器系统上方铺设一层薄薄的磨损层，但这会增加车辙和裂缝的风险。发射器与车辆接收器之间的不对齐和偏移角度也会导致更高的电力传输损失和温度变化，加剧由热引起的车辙和裂缝等问题。尽管许多当前研究已经调查了机械、电磁和热性能，但这些分析通常是分开进行的，并假设了理想化的施工条件。这种分离导致了对关键路面响应、电力传输效率以及实际应用中的温度变化之间关系的理解不足。施工质量（如安装公差、压实变异性和接口粘合）对电磁、热和机械性能的综合影响也尚未得到充分量化。

缺乏统一的标准成为大规模部署ERS的关键障碍。目前的电气标准如IEC 61980、ISO 19363和SAE J2954为电磁兼容性提供了基础[93]。虽然这些文件在技术细节上并不完全一致，但在关键控制变量（如功率等级定义、允许的间隙范围和基本安全原则）上大致一致。值得注意的是，大多数这些标准是为静态ICPT制定的，而动态无线充电仍很大程度上依赖于特定项目的条件。在基础设施方面，针对电气化路面的标准仍然缺失。在没有ERS专用标准的情况下，需要根据加载和环境条件下的热机械路面响应调整现有的机械-经验性路面设计指南。此外，充电组件的脆弱性要求调整路面施工实践，例如确保ICPT的良好接口粘合。此外，预防性维护需要定期评估充电单元，以确保其最佳功能，而可靠的诊断嵌入式组件故障的标准化协议和非破坏性测试方法也大多尚未建立。

从政策角度来看，需要精心制定ERS的商业模式和充电费用结构，以确保基础设施投资的经济可行性。然而，在实现长期盈利能力的同时，平衡部署ERS的高初始成本仍然具有挑战性。目前仍缺乏能够适应快速技术进步和市场动态变化的综合策略。

6.2. 未来研究建议

根据已识别的研究差距，以下是对未来研究的建议：

首先，未来需要优化网络层面和项目层面的ERS选址策略。在网络层面，建议未来的研究重点进行全面的基础设施分析，包括现有能源资源的详细清单及其与现有充电站和电力设施的整合能力。这涉及使用地理信息系统（GIS）来绘制这些设施的地理分布图，以可视化潜在的协同效应或冲突。此外，将能源需求预测与交通流量模型相结合，可以确定ERS安装最有益且对现有电网干扰最小的区域。这种方法将允许战略性地部署ERS，从而补充现有的充电基础设施，提高整个电动汽车生态系统的效率，并支持可持续交通倡议。

在项目层面，由于驾驶员在ERS上的行为预期会发生变化，因此需要调整交通管理策略。建议进行微观交通模拟，以准确捕捉和预测这些影响，从而帮助选择最佳的ERS位置。这些模拟对于制定有针对性的预防性解决方案也至关重要，以确保ERS的有效运行。此外，未来研究还应探讨如何将ERS与智能交通系统（ITS）集成，以改善交通管理并促进向可持续道路系统的平稳过渡。例如，可以通过实施特定的速度限制和通过连接车辆技术增强信息共享来更有效地管理和优化交通流量。

其次，电气化路面的设计需要全面评估电磁、热和机械响应，以平衡电力传输效率与长期路面耐久性。未来研究应优先从探索性分析转向可设计框架。这一进展将需要实验室和全尺寸测试，以验证在真实交通和环境条件下的机械和热响应，量化ICPT垫和热梯度与路面材料行为及接口完整性的相互作用。此外，全尺寸测试应明确评估ICPT组件在施工变化（如安装顺序、现场公差、压实程序）下的稳健性，以确保可靠的现场实施。最终，需要完全耦合和验证的电磁-热-机械模型来制定设计阈值、性能标准和可行性指导，以实现ERS的部署实践。

第三，如图6所示，评估ERS在整个生命周期内的经济和环境影响至关重要。需要仔细考虑一些关键因素，如施工方法、能源消耗、电动汽车普及率和环境影响。这将提供关于ERS在不同城市、郊区和农村环境中的可扩展性和财务可行性的宝贵见解，帮助政策制定者和利益相关者做出关于在哪里以及如何有效投资ERS基础设施的明智决策。随着ICPT技术的发展，不断更新LCCA和LCA参数是必要的，以提供可靠的决策分析。

6.3. ERS的研究路线图

研究路线图可以为开发适用于电动汽车出行的ERS提供方向和主要研究活动，同时保持基础设施的耐久性。基于全面审查，提出了一个研究路线图，展示了行业和利益相关者应如何为未来电气化路面的实施做好准备，如图7所示。该路线图分为短期（0–5年）、中期（5–10年）和长期（10–20年以上）三个时间框架，每个阶段都有针对不同类别的具体目标，这些目标对于推进ERS的发展至关重要。
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图7. 基于ICPT的ERS研究路线图

在短期内（0–5年），ERS应从分析模型转向具备设计准备度的开发阶段。开发耦合的电磁-热-力学模型，并通过实验室或现场测量数据进行验证，以形成设计框架是一个关键里程碑。此外，开发一个成熟的高功率ICPT系统（≥200千瓦）对于重型卡车应用至关重要，因为大多数现有的试点项目都集中在较低的充电功率上。重型卡车需要更高的充电功率，这会增加损耗和热风险，因此高效率（≥95%）是一个关键要求。从运营角度来看，应通过量化ERS部署对交通流的影响来制定站点选择策略，这基于交通管理和驾驶员行为模拟。那些超越当前示范阶段的试点项目应在公共道路上的混合交通条件下实施，并得到多年持续监测和早期采用者的积极参与。现场可施工性研究对于试点项目也是必不可少的，包括开发电动化路面的施工方法和质量控制/保证程序。同时，应评估在不同电动车渗透率、道路类型、施工方法和交通组成下的经济可行性，以量化ERS整个生命周期内的经济和环境效益，并评估其对社会公平性和城市发展的潜在影响。

在中期（5–10年），ERS应专注于高级设计优化和运营阶段的准备。一个关键里程碑是制定全面的评估和维护指南，包括电动化路面的检查方法和相应的维修措施。基于热-力学证据表明，当最大温度升幅保持在15°C以下时，路面的关键响应不会发生显著变化[61]，因此需要优先考虑冷却系统设计，以在连续运行过程中将温度升幅控制在15°C以内，从而最小化热诱导的性能影响。从运营角度来看，应结合交通状况、充电网络和用户行为进行整合研究，以确定ERS如何补充现有的快速充电站。安全和应急响应协议也应正式化，包括保护性关机、第一响应程序、事件后检查等。在实施方面，激励机制应从概念阶段发展到可执行的计划，例如基于使用的补贴、车队转换信用额度，以降低投资者风险同时保护用户。最后，经济分析应超越短期可行性范围，建立基于早期试点项目和短期发展成果的投资级框架。

在长期（10–20年以上），ERS应从走廊规模部署过渡到网络规模实施。关键里程碑包括：(1) 制定机构认可的电动化路面设计、施工和维护标准，以确保一致的性能和可重复的交付；(2) 建立国家和国际ERS实施标准，包括互操作性、安全性、通信等方面，以促进竞争性的行业市场。有了成熟的标准，可以追求更先进的材料来提高电力传输性能，考虑到报告中的收益可高达13.3%[94]，提高10%的效率是一个合理的目标。网络规模实施还需要优化ERS的运营，以最大化利用率同时降低成本，包括协调站点选择、电力容量规划、电网互联等。同时，应实施可扩展的商业模式，具有透明的充电费和收入分配机制，以支持长期服务。最后，可持续性评估应从探索性研究发展为在一致边界条件下的标准化评估，以便对整个生命周期的经济性能、环境影响和社会成果进行稳健比较。

**7. 结论**
本文全面回顾了使用ICPT的ERS技术，该技术能够在车辆移动过程中进行充电，无需物理连接。这项技术不仅缓解了续航里程的焦虑，还有助于实现向电动化出行的平稳过渡。然而，从试点项目到大规模部署的过渡面临多方面的挑战。
回顾指出，成功的ERS部署需要由系统级充电网络、当地能源需求、电动车采用模式和交通影响共同指导的协调规划。将ICPT系统嵌入路面结构会引入工程挑战，如果电磁、热和机械相互作用没有得到适当处理，可能会影响路面的长期耐久性。缺乏统一的动态无线充电标准，以及需要可行的商业模式和充电费用结构，仍然是广泛实施的主要障碍。
为应对这些挑战，未来的研究应超越局部可行性示范，转向系统级优化。经济可行性应在不同的电动车采用情景、道路类型、施工方法和交通组成下进行评估，而不仅仅是通过简化的成本比较。研究重点包括在网络和项目层面优化站点选择策略，开发考虑施工变异性的耦合电磁-热-力学设计方法，并进行全生命周期的环境性能评估。这些努力对于确保ERS不仅在技术上可行，而且在实践中具有可持续性、经济可行性和可扩展性至关重要。

ERS的成功实施将依赖于一个分阶段的路线图：短期内从具备设计准备度和可施工的原型开始，中期进行运营优化，最终在长期内实现网络规模部署并建立标准。最终，ERS可以显著促进电动出行，并推动电动化基础设施的建设实践。

**CRediT作者贡献声明**
陈晓：撰写——原始草稿、方法论、调查、正式分析。
王浩：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、调查、概念化。