電氣化道路技術(shù)綜述

夏群悅

（天津市交通科學(xué)研究院，天津 300074）

0 引言

在20世紀(jì)的工業(yè)革命中，石油能源的廣泛使用推動(dòng)了經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展。然而，石油是一種不可再生資源，預(yù)計(jì)未來(lái)20年內(nèi)，世界石油消費(fèi)的增長(zhǎng)速度將遠(yuǎn)高于過去20年的平均增長(zhǎng)水平。未來(lái)社會(huì)發(fā)展對(duì)石油的需求仍呈穩(wěn)定增長(zhǎng)的趨勢(shì)，供需矛盾突出。為了解決能源危機(jī)，許多國(guó)家調(diào)整了能源戰(zhàn)略。

在2020年9月22日的第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上，中國(guó)提出力爭(zhēng)于2030年前實(shí)現(xiàn)CO2排放達(dá)到峰值，并努力在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。“碳達(dá)峰、碳中和”已納入生態(tài)文明建設(shè)的總體布局，這將會(huì)對(duì)全球能源供需格局產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

中國(guó)一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)規(guī)模較大，均居世界首位，供需結(jié)構(gòu)以煤炭、石油、天然氣等化石能源為主。其中，煤炭資源是我國(guó)能源消費(fèi)的主體。到2020年，煤炭占我國(guó)一次能源產(chǎn)量的近70%，消費(fèi)量占一半以上。但是，國(guó)內(nèi)油氣產(chǎn)量不能滿足我國(guó)需求的快速增長(zhǎng)，對(duì)外依存度仍居高不下，我國(guó)的能源形式不容樂觀。

1 電氣化道路的必要性

近年來(lái)，電動(dòng)汽車和插電混合動(dòng)力汽車技術(shù)發(fā)展迅速，并已投入市場(chǎng)，但與傳統(tǒng)汽車相比，其最大的問題是續(xù)航能力不足。根據(jù)Gomez-Ibanez等人的研究，廣泛使用電動(dòng)車的六個(gè)主要障礙中，有兩個(gè)與車輛的續(xù)航能力直接相關(guān)，即續(xù)航焦慮（擔(dān)心汽車在電池充滿電后卻不足以到達(dá)目的地），以及充電設(shè)施的可用性[1-2]。

電氣化道路系統(tǒng)（Electric Road System，ERS）可以很好的解決這些問題。ERS的原理很像有軌電車，將道路連接到電網(wǎng)中，一旦汽車連接到道路，它也將連接到該電網(wǎng)，在車輛行駛的同時(shí)充電。ERS系統(tǒng)可以將道路運(yùn)輸從依賴化石燃料轉(zhuǎn)為可再生能源。

2 電氣化道路技術(shù)研究現(xiàn)狀

電氣化道路系統(tǒng)主要目的是為在其上行駛的車輛持續(xù)提供電力。該技術(shù)與現(xiàn)有的道路基礎(chǔ)設(shè)施兼容，由燃料驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)車輛可以在電氣化道路上正常行駛，無(wú)需連接到ERS。使用ERS的車輛也配備了小型電池或內(nèi)燃機(jī)，這意味著車輛也可以行駛在普通道路上。

ERS電氣化道路系統(tǒng)被分為四個(gè)子系統(tǒng)：能源供應(yīng)系統(tǒng)、動(dòng)力傳輸系統(tǒng)、道路系統(tǒng)、道路運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)。

2.1 能源供應(yīng)系統(tǒng)

為了能夠持續(xù)為車輛提供能源，ERS必須有持續(xù)的能源供應(yīng)。可通過連接到電網(wǎng)來(lái)解決能源供應(yīng)問題。

2.2 動(dòng)力傳輸系統(tǒng)

ERS中的動(dòng)力傳輸是通過兩個(gè)部分完成的，即道路和路邊組件。道路部分負(fù)責(zé)在道路和行駛的車輛之間進(jìn)行電力傳輸，路邊組件則是負(fù)責(zé)將電從電網(wǎng)轉(zhuǎn)移到道路上。道路和車輛之間的電力傳輸主要有兩種方式：傳導(dǎo)式和感應(yīng)式。傳導(dǎo)式電力傳輸是基于道路和車輛之間的物理連接，而感應(yīng)式是通過道路和車輛之間的磁場(chǎng)通量進(jìn)行的無(wú)線電力傳輸。傳導(dǎo)式在道路和車輛之間的電力傳輸有兩種方案，通過架空電力線傳輸，將車輛連接到道路上方的接觸網(wǎng)，并通過受電弓傳輸電力（見圖1a）；或者通過內(nèi)置在道路上的帶電軌道，經(jīng)由機(jī)械取電臂傳輸電力（見圖1b）。

圖1 三種成熟的ERS技術(shù)

2.2.1 架空式技術(shù)

架空導(dǎo)電技術(shù)是安裝在路邊支柱上的導(dǎo)電線，通過受電弓將車輛直接連接到電網(wǎng)。這種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是靈活，它所連接的車輛可以自由地橫向移動(dòng)（超車、變道等）和垂直移動(dòng)。

架空導(dǎo)電線技術(shù)是一種較為成熟的技術(shù)，已經(jīng)在全球多地鋪設(shè)試驗(yàn)段。與軌道式和感應(yīng)式技術(shù)相比，它可以減少道路基礎(chǔ)設(shè)施的改造，只改造車輛上的受電弓，即可連接到架空導(dǎo)電線。但這種技術(shù)也有缺點(diǎn)，最突出的是只有卡車和公共汽車可以使用，因?yàn)榫€路和受電弓之間的距離要求車輛有一定的高度。

2.2.2 軌道式技術(shù)

軌道式技術(shù)是將導(dǎo)電軌道鋪設(shè)在道路上，車輛通過一個(gè)機(jī)械臂連接到軌道上，將電力從軌道傳送至車輛（見圖1b）。

軌道式技術(shù)中最核心的是安裝在車輛上的機(jī)械臂。當(dāng)車輛在ERS道路上行駛時(shí)，機(jī)械臂將自動(dòng)連接到軌道上，在行駛過程中能夠水平移動(dòng)。當(dāng)ERS道路結(jié)束時(shí)，機(jī)械臂將自動(dòng)斷開。

2.2.3 感應(yīng)式技術(shù)

感應(yīng)式技術(shù)（見圖1c）是基于通過ERS系統(tǒng)和車輛之間的交流磁場(chǎng)來(lái)無(wú)線傳輸電力。感應(yīng)方式與交流電力變壓器中的機(jī)制相同，是由一個(gè)層疊的鐵芯組成。將這種無(wú)線感應(yīng)技術(shù)應(yīng)用于ERS，是將分裂的鐵芯的一部分安裝在于車輛中，而道路作為另一個(gè)鐵芯部分的延伸。

2.3 道路系統(tǒng)

建設(shè)ERS道路有兩種不同方案：建造一條全新的道路并預(yù)先鋪設(shè)ERS設(shè)施，或是對(duì)現(xiàn)有的道路進(jìn)行改造。從建設(shè)的總成本來(lái)看，建設(shè)一條全新的道路并預(yù)先鋪設(shè)ERS設(shè)施，比改造現(xiàn)有的道路成本要高。

由于道路的電氣化將改變車輛的駕駛方式和道路上的交通流量，因此ERS系統(tǒng)的存在可能增加道路磨損的風(fēng)險(xiǎn)。如果電力傳輸技術(shù)只安裝在一條車道上，可能會(huì)導(dǎo)致這條車道流量的增加。安裝ERS可能導(dǎo)致更多的車輛選擇在這條路上行駛，特別是在電力（燃料）價(jià)格低的情況下，從而導(dǎo)致此車道的磨損特別嚴(yán)重。

2.4 道路運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)

建設(shè)和維護(hù)一條ERS道路與傳統(tǒng)的道路相比有很大的不通。對(duì)于ERS系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，對(duì)道路進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、監(jiān)測(cè)、與行駛車輛的互動(dòng)變得越來(lái)越重要--車輛能夠測(cè)量其能源消耗，并將這些信息實(shí)時(shí)反饋給ERS的系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商，運(yùn)營(yíng)商可通過這些信息及時(shí)判斷ERS系統(tǒng)的運(yùn)行情況從而及時(shí)調(diào)度車輛。這些信息對(duì)于建立智慧交通系統(tǒng)至關(guān)重要。目前系統(tǒng)是通過車輛上的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的測(cè)量和收集。

由于駕駛員和ERS的系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商之間有一個(gè)數(shù)據(jù)鏈接，可以利用這一鏈接在這兩者間分享信息，包括交通流量、及時(shí)天氣、道路狀況等，也可以為車輛和電網(wǎng)提供更靈活的能源供應(yīng)策略。

3 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

3.1 運(yùn)營(yíng)成本低

由于電力比汽油/柴油更便宜，因此ERS車輛的運(yùn)行成本更低。據(jù)測(cè)算，考慮能耗成本，再加上車載受電弓等設(shè)備改造的綜合成本，ERS車輛運(yùn)輸成本比普通柴油車低32%。因此，推進(jìn)ERS技術(shù)商業(yè)化具有很大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。而隨著電氣化公路的發(fā)展，運(yùn)輸成本尤其是受電弓生產(chǎn)改造成本也將進(jìn)一步降低。

3.2 減少能源依賴

在實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”的過程中，減少對(duì)進(jìn)口能源的依賴，轉(zhuǎn)變能源模式已經(jīng)成為我國(guó)能源發(fā)展的主要方向之一。加強(qiáng)對(duì)核電、水電、風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源的應(yīng)用研究，可以有效減少我國(guó)對(duì)進(jìn)口能源的依賴[4]。ERS系統(tǒng)可以有效的減少燃油使用量，減少汽車尾氣排放，緩解我國(guó)能源危機(jī)，為我國(guó)可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

3.3 施工技術(shù)簡(jiǎn)單

道路電氣化的建設(shè)，只需將車上添加電池以及充電設(shè)備即可充電。現(xiàn)階段，我國(guó)的道路電氣化改造主要集中道路上，通過在道路上建設(shè)電網(wǎng)實(shí)施電氣化改造，將電廠中的電直接輸送到電網(wǎng)上，即可為ERS車輛提供動(dòng)力牽引。此外，在現(xiàn)有公路上架設(shè)電氣化公路運(yùn)輸系統(tǒng)供配電設(shè)施，在施工過程中無(wú)需完全阻斷交通，對(duì)于社會(huì)的負(fù)面影響較小，有利于工程開展。

3.4 提升駕駛安全性

隨著我國(guó)高速公路建設(shè)的里程逐漸增加，道路運(yùn)輸范圍不斷拓展。但在實(shí)際行駛的過程中，交通事故數(shù)量也逐漸增多[3-5]。高速公路電氣化可以通過架空電線以及電網(wǎng)支架作為參照物，為機(jī)動(dòng)車的自動(dòng)駕駛提供參考，推動(dòng)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的發(fā)展，降低事故發(fā)生概率。

4 結(jié)語(yǔ)

與現(xiàn)階段基于化石燃料的運(yùn)輸系統(tǒng)相比，ERS有以下優(yōu)勢(shì)：①運(yùn)輸效率顯著提高（是普通運(yùn)輸系統(tǒng)的2-3倍）；②可能實(shí)現(xiàn)無(wú)排放的能源供應(yīng)；③由于電力比汽油/柴油更便宜，因此運(yùn)營(yíng)成本更低；④噪音更小；⑤電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)成本降低。由此可見，ERS系統(tǒng)是一種解決電動(dòng)車?yán)m(xù)航能力問題的技術(shù)。