城市交通路口快速充電技術(shù)研究

李晨瑩

(山東省青島第二中學(xué)，山東 青島 266061)

我國(guó)汽車工業(yè)已經(jīng)走過(guò)了60年的發(fā)展歷程。60年來(lái)，我國(guó)汽車工業(yè)從無(wú)到有，從小到大，由弱到強(qiáng)，不斷發(fā)展壯大，如今已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)，形成了工業(yè)制造、商貿(mào)流通、綜合服務(wù)相結(jié)合的汽車產(chǎn)業(yè)。改革開(kāi)放以來(lái)，特別是近幾年我國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁。據(jù)中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)的統(tǒng)計(jì)，2000～2007年，我國(guó)汽車產(chǎn)量從200 萬(wàn)輛躍升至888萬(wàn)輛，連續(xù)7年平均增速超過(guò)20%。2008年汽車產(chǎn)量934.55萬(wàn)輛，其中轎車產(chǎn)量503.7 萬(wàn)輛，比2007年增長(zhǎng)5%。截至2009年l0月，我國(guó)汽車年產(chǎn)量已突破l 000 萬(wàn)輛，成為繼美、日之后第三個(gè)汽車年產(chǎn)破千萬(wàn)輛的國(guó)家，進(jìn)入千萬(wàn)輛汽車生產(chǎn)大國(guó)行列。汽車工業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)之一，以其國(guó)內(nèi)市場(chǎng)潛力大、產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度高、帶動(dòng)就業(yè)面廣、積累資金能力強(qiáng)等特點(diǎn)，為促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。然而，汽車數(shù)量的過(guò)快增長(zhǎng)也帶來(lái)了一系列社會(huì)問(wèn)題：環(huán)境污染加劇，道路擁堵嚴(yán)重，交通肇事上升，停車?yán)щy等。

目前青島市機(jī)動(dòng)車保有量已超過(guò)200 萬(wàn)，如果按平均長(zhǎng)度4 米計(jì)算將200 萬(wàn)輛車首尾相連，長(zhǎng)達(dá)8 000 公里，造成很大的城市交通壓力。近年來(lái)青島市機(jī)動(dòng)車每年都以10 萬(wàn)輛左右的速度快速增長(zhǎng)，每個(gè)月平均新車入戶1 萬(wàn)余輛，最高每個(gè)月新車入戶達(dá)到3 萬(wàn)余輛。日益增長(zhǎng)的機(jī)動(dòng)車數(shù)量也對(duì)城市的發(fā)展建設(shè)提出了新課題，尤其是對(duì)城市交通管理和大氣環(huán)境污染的治理造成了一定的壓力。發(fā)展電動(dòng)汽車減少尾氣排放是解決措施之一，但電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能、續(xù)航能力和充電是制約因素，本文提出了在公共道路交通路口根據(jù)交通信號(hào)燈紅燈時(shí)間，由司機(jī)自主選擇是否利用地面供電裝置快捷充電，還可在紅燈時(shí)將汽車的慣性能量通過(guò)再生制動(dòng)技術(shù)儲(chǔ)存起來(lái)，多余能量可以由地面供電裝置回收儲(chǔ)存，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的，并進(jìn)行了技術(shù)原理設(shè)計(jì)和分析。

1 汽車通過(guò)交通路口的動(dòng)能變化

常見(jiàn)轎車質(zhì)量為1 100～1 700 kg，按單車質(zhì)量1 500 kg，進(jìn)入路口前初速度40 km/h 至停止線前停車計(jì)算，其動(dòng)能變化為E動(dòng)=mv2/2=92.6 kJ。

按常壓下水的定壓比熱為4.2 kJ/(kg·K)，即一次停車制動(dòng)的能量足以使0.22 kg 的冰水燒開(kāi)；或者若全部用于發(fā)電可產(chǎn)生0.026 度電。以93# 汽油為例，93 號(hào)汽油的密度為0.72～0.74 g/mL，折中算 0.73 g/mL，每 kg 汽油燃燒[1]時(shí)約放熱46 000 kJ，若燃油效率為20%，則燃燒一升汽油產(chǎn)生機(jī)械能為6 716 kJ，一次停車后再加速至40 km/h 相當(dāng)于消耗0.028 升汽油。根據(jù)《城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范》，信號(hào)十字交叉口通行能力按一條車道1 300 輛/h，若雙向2 車道，50%的車遭遇一個(gè)紅燈進(jìn)行計(jì)算，高峰時(shí)每個(gè)車道每分鐘約有10 輛車需要停車讓行，則該十字路口每分鐘80 輛有制動(dòng)停車，若全部用于發(fā)電，其能量相當(dāng)于2.06 度電，相當(dāng)于理論上高峰期該路口具有123.5 kW 的發(fā)電能力。

2 汽車動(dòng)能的回收與儲(chǔ)存

儲(chǔ)能方式主要有：車載再生制動(dòng)儲(chǔ)能，地面節(jié)能坡儲(chǔ)能，地面供電裝置儲(chǔ)能。若是電動(dòng)或混合動(dòng)力汽車，車載裝備有電動(dòng)機(jī)，在通過(guò)路口遇到紅燈時(shí)，可通過(guò)再生制動(dòng)將電動(dòng)機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)將減速運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在車載超級(jí)電容或蓄電池中。若結(jié)合地理?xiàng)l件將路口改造為具有一定坡度的縱向截面為梯形平臺(tái)，則可在遇到紅燈時(shí)，使汽車惰行，利用動(dòng)能勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化原理，將汽車的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能儲(chǔ)存起來(lái)。按照動(dòng)能E動(dòng)=mv2/2，勢(shì)能E勢(shì)=mgh計(jì)算，當(dāng)v2/2=gh時(shí)，可不需要?jiǎng)x車制動(dòng)，對(duì)應(yīng)初速度40 km/h 需要6.3 m 的縱向高度的斜坡即可實(shí)現(xiàn)，而且由于與汽車的質(zhì)量無(wú)關(guān)，因此適用于任何車輛。在平坦路面，可考慮地面設(shè)置充電裝置，在電動(dòng)汽車底部裝備受電靴，當(dāng)車輛進(jìn)入該路段時(shí)，可自動(dòng)放下受電靴，踩下剎車時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)，不斷把動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能傳遞到車載和地面儲(chǔ)能裝置(如超級(jí)電容或電池)，通過(guò)超級(jí)電容吸收動(dòng)能。以上三種方法均可減少剎車片的磨耗，車載再生制動(dòng)儲(chǔ)能和地面節(jié)能坡儲(chǔ)能均能減少汽車的耗能。

3 電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能方式

電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能方式主要有蓄電池、超級(jí)電容和具有超級(jí)電容特性的蓄電池，蓄電池的內(nèi)部反應(yīng)為電化學(xué)反應(yīng)，其充電過(guò)程為將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，放電過(guò)程剛好相反。蓄電池的優(yōu)點(diǎn)是能量密度較高，如：特斯拉電動(dòng)汽車的蓄電池比能量可達(dá)到170 Wh/kg，450 kg 電池系統(tǒng)的可用能量為53 kWh；最大續(xù)駛里程可以達(dá)到390 km，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)135 Wh/km，但缺點(diǎn)是功率密度較低，導(dǎo)致所需的充電時(shí)間較長(zhǎng)。超級(jí)電容優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)部沒(méi)有電化學(xué)反應(yīng)，能夠直接將電能儲(chǔ)存和釋放，比功率較高，通常能達(dá)到2 kW/kg，循環(huán)壽命長(zhǎng)，可達(dá)百萬(wàn)次，適合大電流充放電，可以瞬間完成充電。具有超級(jí)電容特性的蓄電池兼具二者優(yōu)點(diǎn)，充電時(shí)間較短，其比能量可達(dá)到40 Wh/kg，充放電電流可達(dá)到1 000 A，若能解決隨時(shí)可快速充電的問(wèn)題，則電動(dòng)小汽車只需安裝少量這種蓄電池，市內(nèi)交通若每天只考慮運(yùn)行40 km，按照轉(zhuǎn)換效率135 Wh/km，每天只需充放電5.4 kWh，按照 1 000 A、500 V 只需充電39 s，在路口等待紅燈時(shí)就可充滿，按充放電深度50%配置，則蓄電池只需300 kg，且壽命可達(dá)10 萬(wàn)次，一次采購(gòu)使用終身，可使汽車質(zhì)量、采購(gòu)、使用維護(hù)成本大為降低。因此研究公共道路交通路口快速充電技術(shù)能夠推動(dòng)電動(dòng)汽車的快速發(fā)展。

4 公共道路交通路口快速充電裝置及其設(shè)置

在紅綠燈間隔時(shí)間超過(guò)40 s 的公共道路交通路口設(shè)置地面充電站，其功率按照高峰每分鐘80 輛車等候紅燈，滿足其中20 輛車充電需求設(shè)計(jì)，每輛車充電功率500 kW，需10 MW，分散到雙向4 車道，每個(gè)車道需2.5 MW。充電車道設(shè)置在紅燈等候停止標(biāo)線內(nèi)，每車道長(zhǎng)度按20 輛車，每車5 m 考慮，每車道埋設(shè)地面供電軌長(zhǎng)度為100 m。當(dāng)電動(dòng)汽車在紅燈等待通行時(shí)，地面充電站可通過(guò)無(wú)線方式與汽車聯(lián)網(wǎng)，司機(jī)根據(jù)需要發(fā)出充電請(qǐng)求信號(hào)，得到地面充電站允許時(shí)放下供電靴，利用電磁線圈將地面充電站供電極柱吸出供電，采用類似ETC 收費(fèi)模式，進(jìn)行計(jì)量和扣費(fèi)，電動(dòng)汽車回饋給地面充電站的再生制動(dòng)能量可被計(jì)量并有償回收。

地面接觸式充電裝置，每車道獨(dú)立設(shè)置，按照該車道需要充電的最低電壓調(diào)節(jié)，直接連接車載蓄電池，不使用車載充電機(jī)，因此車載充電機(jī)僅考慮汽車回庫(kù)時(shí)緩慢充電時(shí)使用，功率不必太大。理想情況下應(yīng)采用非接觸式充電裝置，但目前能夠投入應(yīng)用的功率太小，所需充電時(shí)間長(zhǎng)，不能滿足要求。如圖1所示的地面接觸式供電技術(shù)已在珠海有軌電車項(xiàng)目實(shí)施。對(duì)于非接觸式充電[2]裝置，如表1所示有電磁感應(yīng)、磁共振、微波三種方式。

圖1 地面接觸式供電結(jié)構(gòu)圖

表1 非接觸式充電裝置

5 結(jié)語(yǔ)

本文討論了在城市公共交通路口設(shè)置地面接觸式充電裝置，待車輛等候紅燈時(shí)為電動(dòng)汽車補(bǔ)充能量，以減少電動(dòng)汽車的車載儲(chǔ)能裝置和充電裝置的容量，降低電動(dòng)汽車的成本和質(zhì)量，其前提條件是車載儲(chǔ)能裝置能夠接受短時(shí)大電流充電。如果一個(gè)城市的主要道路均配置了地面接觸式充電裝置，那么這種電動(dòng)汽車將得到推廣和普及。地面接觸式充電裝置和車載儲(chǔ)能裝置還能夠回收電動(dòng)汽車遭遇紅燈時(shí)需要減速停車的動(dòng)能，有利于節(jié)能。因此這種技術(shù)具有節(jié)能環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的特征，值得投入力量進(jìn)行工程化研發(fā)和推廣，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

[1]薛麗麗，劉瓊瓊，李冬會(huì)，等.甲醇汽油熱值研究[J].內(nèi)燃機(jī)，2011(5)：33-36.

[2]張寶群，李香龍.電動(dòng)汽車非接觸式充電研究概況及實(shí)用化分析[J].電子測(cè)量技術(shù)，2012，35：1-6.