新能源電動汽車未來補能技術(shù)路徑探析

張俊生，牛 斌 ，李達峰 ，李永勝，羅霄霞 ，尹宇軍，吳宏濤

（1.山西省交通運輸廳，山西 太原 030001；2.山西省交通運輸安全應(yīng)急保障技術(shù)中心（有限公司），山西 太原 030032；3.山西交控生態(tài)環(huán)境股份有限公司，山西 太原 030032；4.山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

建設(shè)新型基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，解決能源和環(huán)境問題是國家戰(zhàn)略需求，也是實現(xiàn)經(jīng)濟高質(zhì)量轉(zhuǎn)型的重要保障。據(jù)2021年度統(tǒng)計，我國2020年消耗石油總量約為94 122萬t[1]。我國石油依靠進口的比例較高，目前已經(jīng)超過美國等發(fā)達國家，成為全球第一大石油進口國。我國在《綠色交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃》中指出，把資源能源節(jié)約和生態(tài)環(huán)境保護擺在行業(yè)發(fā)展更加突出的位置，推動交通運輸領(lǐng)域加快形成綠色生產(chǎn)生活方式[2]。因此，基于我國推動實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在要求，宣布碳達峰和碳中和的目標(biāo)愿景，提高電能在未來交通領(lǐng)域中能源消費所占的比例，能夠有效解決能源和環(huán)境污染問題所帶來的負面效應(yīng)。

目前，電動汽車主流的電能補能路徑主要有3種，第1種為傳導(dǎo)式充電，車輛需要到充電站進行插電充電，受到電池容量、重量和快速充電技術(shù)的限制，這種方式耗時長，且電池容量對于車輛續(xù)航里程限制極大，不能滿足長路程和大重量運輸?shù)男枨蟆５?種方式是車輛使用增程式發(fā)動機，當(dāng)電池電量不足時，發(fā)動機用來發(fā)電，為電池充電，工作在最佳轉(zhuǎn)速區(qū)間，電池再為驅(qū)動車輛的電動機提供能量，即電機直接驅(qū)動車輛，發(fā)動機不參與驅(qū)動。其優(yōu)點在于充電過程是在車輛行駛中，顯著減少了充電時間，且石油轉(zhuǎn)化效率較高。但是缺點也很明顯，這種方式需要使用石油，并不能節(jié)省化石燃料，沒有達到節(jié)能減排的目的。第3種是換電模式，即車電分離，電池可以從車輛中取下?？蛻魧④囕v開到換電站，并通過更換車載電池的方法來補充電能。換電站的運營商負責(zé)電池的購買、租賃、充電、快速更換及管理，客戶只要依照消耗電池的電能來支付費用。這種方式不僅解決了“里程焦慮”問題，并且克服了定點充電時間長的缺點，理論上只需5～8 min，即可完成換電服務(wù)。但是，換電服務(wù)增加了安全隱患，電池在取裝過程中，增加了電池的磨損，易出現(xiàn)松動，稍有接觸不良易出現(xiàn)短路而引發(fā)自燃、涉水漏電等問題，都是消費者所擔(dān)心的。此外，目前少數(shù)采用換電模式的車企，換電站的數(shù)量并不多，用戶的換電體驗并沒有達到預(yù)期效果，尤其在高速公路服務(wù)區(qū)的換電站數(shù)量極少，遠遠不能滿足消費者的需求，還需要大量的資金來建設(shè)換電站，提高服務(wù)質(zhì)量。

電氣化公路作為新型補能技術(shù)，可以從根本上解決汽車連續(xù)行駛對電能的需求和能源、環(huán)保問題，在電氣化公路上行駛的司機無需擁有“里程焦慮”，能夠充分滿足電動汽車的行駛要求。因此，建設(shè)電氣化公路是最佳方案。根據(jù)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》，國內(nèi)在新能源汽車的發(fā)展上，有較為明確的指示，但在電車換電方式上，并沒有清晰的政策支撐。為了向“零排放”的目標(biāo)前進，實現(xiàn)雙（多）動力補充方式，電氣化公路對于電動汽車行業(yè)的推廣以及電動汽車?yán)m(xù)航能力的進一步提升，起到了決定性的作用，具有極大的發(fā)展前景。

此外，由于鐵路、水路有著運量大、成本低、安全性高等優(yōu)勢，自2018年以來，我國“公轉(zhuǎn)鐵、公轉(zhuǎn)水”的政策不斷推進，減少公路貨運比重，來達到降低柴油貨車的污染排放，改善空氣質(zhì)量的目的。但是，公路運輸?shù)撵`活性卻是不可替代的，在短途運輸中，實現(xiàn)點對點的對接、貨物裝卸及運輸成本占比，公路運輸具有絕對的優(yōu)勢。因此，為了提高公路運輸與鐵路和水路運輸?shù)母偁巸?yōu)勢，保證運輸靈活性的同時，兼顧節(jié)能環(huán)保，針對公路電氣化技術(shù)的研究是非常必要的。目前，德國西門子公司開始對公路電氣化技術(shù)進行研究，借鑒軌道交通技術(shù)方案，提出了“電氣化公路技術(shù)”（e-Highway)，并完成了部分試驗路段[3-4]。我國在公路電氣化技術(shù)方面的研究相對較少。

本文在我國現(xiàn)階段公路電氣化技術(shù)分析的基礎(chǔ)上，提出公路電氣化技術(shù)實施的思考和建議，探索未來公路電氣化技術(shù)的應(yīng)用拓展。希望通過研究，選取適合的場地進行示范應(yīng)用，不斷改進方案來促進公路電氣化技術(shù)的逐漸成熟。本文技術(shù)架構(gòu)圖如圖1。

圖1 技術(shù)架構(gòu)圖

1 公路電氣化技術(shù)發(fā)展趨勢

1.1 公路電氣化技術(shù)的可行性方案淺析

公路電氣化技術(shù)是一種新興的道路交通技術(shù)。道路與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)式電力傳輸主要依靠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通量變化進行的無線電力傳輸。傳導(dǎo)式在道路和車輛之間的電力傳輸有3種方案，分別是地面內(nèi)嵌式、側(cè)集電式和架空式傳輸。

感應(yīng)式傳輸方案不需要任何導(dǎo)線連接，就可以將路面下的電能從道路傳輸?shù)杰囕v，如圖2。主要通過兩套線圈實現(xiàn)，初級線圈（放置在道路上）和次級線圈（放置在車輛下面）。電能通過電磁感應(yīng)從初級線圈轉(zhuǎn)移到次級線圈。但是線圈之間的垂直距離以及線圈中心點在水平方向上的距離對于無線充電的效率影響很大。由于車輛在行駛過程中很難保持相對地面不動的位置，并且高密度的次級線圈也會增加汽車的重量。所以，該技術(shù)用于車輛動態(tài)充電時還將面臨新的挑戰(zhàn)。

圖2 無線充電方案

地面內(nèi)嵌式傳輸方案是路面軌道式公路電氣化技術(shù)，其方法是在高速公路的路面上安裝內(nèi)嵌的供電軌道。在電力汽車的底盤上安裝可以自主升降的充電連接桿，并且在軌道上有一定的活動空間。當(dāng)電動車輛在行駛過程中需要充電時，便可以通過連接桿在充電軌道上獲取電能來行駛，或者為電動車輛的電池組進行充電，如圖3。

圖3 地面內(nèi)嵌式有線充電方案

側(cè)集電式傳輸方案是在高速公路的路側(cè)設(shè)置供電系統(tǒng)，在電力汽車的側(cè)邊安裝伸縮集電刷。電力汽車充電時，只需轉(zhuǎn)換到側(cè)邊車道行駛，并通過伸縮集電刷在路側(cè)供電系統(tǒng)中進行補能，如圖4。此外，側(cè)供電系統(tǒng)的安全性與路燈是相同的，供電線路設(shè)在側(cè)供電系統(tǒng)箱體的內(nèi)部或地下，極板平時沒電，有供電申請時才通過開關(guān)向極板輸電。所以，側(cè)集電式傳輸方案可以作為我國電氣化公路的改造方法。

圖4 側(cè)集電式有線充電方案

架空式傳輸方案可以在傳統(tǒng)道路上進行改造，是另一種適合我國的電氣化公路改造方法。其主要部分由接觸網(wǎng)、電力汽車、電氣化公路3部分組成。接觸網(wǎng)主要的組成結(jié)構(gòu)有接觸網(wǎng)懸掛裝置、支撐裝置和定位裝置。電氣化公路電網(wǎng)的建設(shè)，需要在路面一側(cè)的電線桿上架設(shè)橫跨，架設(shè)接觸網(wǎng)。電力汽車通過在頂部設(shè)置的動態(tài)受電弓接收電網(wǎng)提供的電能來驅(qū)動行駛，如圖5。同時在行駛過程中，還會為車輛充電以滿足在傳統(tǒng)道路上行駛的需求。在不同的車速下，受電弓也能夠隨時調(diào)整，使汽車和接觸線連接或者斷開。通過專門的傳感器技術(shù)，使得動態(tài)受電弓改變其在接觸線上的位置，抵消卡車在車道上產(chǎn)生的側(cè)向運動。這項技術(shù)大大降低了整個受電弓的磨損，從而保證使用的耐久性。在遇到突發(fā)性事件或需要變道運行時，電動汽車會自動將受電弓與接觸網(wǎng)分離，車輛使用蓄電池供電來保證安全和正常行駛。

圖5 架空式有線充電方案

電氣化公路的實施，應(yīng)先從建設(shè)試驗基地和示范工程著手，物流園區(qū)、海港碼頭等物流集中路段可以作為試點布設(shè)。技術(shù)逐漸成熟后，可以在部分地區(qū)或重要運輸通道進行推廣，對車輛和基礎(chǔ)設(shè)施進行電氣化升級。

1.2 公路電氣化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化探索研究

基于我國對于公路電氣化技術(shù)的研究現(xiàn)狀，在標(biāo)準(zhǔn)化的研究上，總結(jié)了3點思考和建議。

1.2.1 跨行業(yè)、跨技術(shù)領(lǐng)域公路電氣化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系逐步完善

公路電氣化技術(shù)的應(yīng)用，是不同產(chǎn)業(yè)、不同技術(shù)、不同管理主體的綜合應(yīng)用，標(biāo)準(zhǔn)化工作也是跨行業(yè)、跨科技領(lǐng)域的綜合體工作。在公路路網(wǎng)電氣化建設(shè)的基礎(chǔ)上，也需要電力汽車的相關(guān)技術(shù)協(xié)調(diào)和跟進。目前，我國交通、汽車、通信、電氣等相關(guān)機構(gòu)已經(jīng)意識到在電氣化公路領(lǐng)域協(xié)同合作的重要性，逐步加強完善標(biāo)準(zhǔn)化的整體設(shè)計與合作，是我們的重點工作。

1.2.2 突破技術(shù)瓶頸 集中標(biāo)準(zhǔn)工作研究重心

我國電氣化公路領(lǐng)域的研究尚處于初級階段，受到技術(shù)條件的約束。雖然已經(jīng)有電動公交車和電氣化鐵路技術(shù)作為基礎(chǔ)，但汽車在公路上實現(xiàn)高速運行及應(yīng)急換道等操作，還需要大量的技術(shù)支持和試驗驗證。所以，明確工作重心，集中技術(shù)攻關(guān)，健全相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，公路電氣化技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化建立才能有效推進。

1.2.3 完善技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與市場融合

以市場應(yīng)用需求為導(dǎo)向，建立并完善相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系才能有效引導(dǎo)技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。通過技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研制與技術(shù)創(chuàng)新，建立市場化的有效互動機制，明確對相關(guān)行業(yè)的指導(dǎo)性和推動性作用。

因此，為保證公路電氣化技術(shù)能夠科學(xué)、規(guī)范地發(fā)展，緩解我國嚴(yán)峻的不可再生能源的消耗和碳排放造成的環(huán)境污染問題，現(xiàn)在迫切需要建立電氣化公路國家試驗場，進行技術(shù)研究。此外，輸電端應(yīng)由國家交通運輸管理部門或交通企業(yè)開展標(biāo)準(zhǔn)研究，盡早形成全國統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，受電端（新能源汽車）據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)進行受電技術(shù)研究和車輛改造，加強與市場的結(jié)合。公路電氣化技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作將成為促進行業(yè)發(fā)展應(yīng)用，提高道路交通安全水平、管理水平和運行效率的重要推進力量。

1.3 公路電氣化技術(shù)與新技術(shù)的融合

1.3.1 公路電氣化技術(shù)與車路協(xié)同技術(shù)的結(jié)合

目前，貨車責(zé)任的交通事故占事故總量比例相對較高，貨車引發(fā)的事故原因主要有：超速、超載、疲勞駕駛等。公路電氣化技術(shù)和車路協(xié)同自動駕駛技術(shù)的結(jié)合，可以在很大程度上解決這個問題。車路協(xié)同是緩解交通擁堵和保證交通安全的重要技術(shù)手段，公路電氣化技術(shù)則可以有效解決電動汽車的長距離行駛和連續(xù)運行問題。在電力卡車運行的過程中，采用智能卡車編組和智能駕駛模式，可以盡可能縮短卡車的跟車距離，并且降低正常運行車輛的風(fēng)阻約30%左右。不僅可以節(jié)約能源，還降低了司機的勞動強度，提高了車輛運行的通行效率以及安全性。

1.3.2 公路電氣化技術(shù)與可再生能源并網(wǎng)消納

基于國家能源發(fā)展戰(zhàn)略以及碳達峰碳中和目標(biāo)，結(jié)合國家新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，以未來公路貨運需求為切入點，形成電氣化技術(shù)在公路中應(yīng)用的需求現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，推動路側(cè)可再生能源（風(fēng)力、光伏）就地消納，解決目前可再生能源并網(wǎng)與輸送的難題。同時，可再生能源為新能源載重汽車提供能源支撐，完善綠色出行公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

1.3.3 公路電氣化技術(shù)與智能電網(wǎng)的結(jié)合

中共中央、國務(wù)院印發(fā)了《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》，要求推進交通基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)與能源網(wǎng)融合發(fā)展，健全能源戰(zhàn)略物資運輸保障體系。公路電氣化技術(shù)是道路交通運輸?shù)男滦图夹g(shù)，是高速公路與智能電網(wǎng)之間的聯(lián)結(jié)紐帶。智能電網(wǎng)為公路電氣化技術(shù)的發(fā)展提供了強有力的能源支撐，可以實現(xiàn)集中式發(fā)電、分布式發(fā)電等多種發(fā)電方式，滿足多樣化的電力需求，提高能源利用效率，減少電能損耗。公路電氣化技術(shù)與智能電網(wǎng)的融合，適應(yīng)新能源發(fā)展要求，能夠優(yōu)化電動汽車補能技術(shù)，實現(xiàn)電動汽車在高速公路運輸領(lǐng)域的跨越式發(fā)展。

2 電氣化公路前景展望

國家一直堅持能源的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，鼓勵推動可再生能源汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展。工業(yè)和信息化部公布的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》中提出，到2025年，新能源汽車新車銷量占比將達到25%左右，智能網(wǎng)聯(lián)汽車新車銷量占比將達到30%，高度自動駕駛智能網(wǎng)聯(lián)汽車實現(xiàn)限定區(qū)域和特定場景商業(yè)化應(yīng)用[5]。隨著新能源汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，不僅顯著減少了化石燃料的使用，節(jié)能減排，保護環(huán)境和不可再生能源，還使大量高新技術(shù)成果和資金紛紛投入到新能源汽車市場中，對中國經(jīng)濟轉(zhuǎn)型也起到了至關(guān)重要的作用。

電氣化公路為我國探索環(huán)境資源保護和電動汽車的進一步發(fā)展，提供了一種新思路，是目前世界公認(rèn)的綠色交通運輸方式?？稍偕茉磥碓词謴V泛，包括太陽能、水能、風(fēng)能、核能等，運用這些可再生能源來驅(qū)動電動汽車行駛，并不會產(chǎn)生污染性氣體。隨著各個行業(yè)對于能源需求的提高，電氣化公路的實施為節(jié)約不可再生資源作出了巨大的貢獻。過去人們一直將汽車與公路分開來看，認(rèn)為公路與汽車是兩個獨立的個體，而今公路電氣化技術(shù)的出現(xiàn)，將逐漸改變?nèi)藗儗鹘y(tǒng)道路運輸行業(yè)的認(rèn)識。

3 結(jié)語

為了推進“綠色”新基建，保障我國在實現(xiàn)雙碳目標(biāo)過程中的能源系統(tǒng)高效與安全運行，公路電氣化技術(shù)未來具有廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。通過對公路電氣化技術(shù)現(xiàn)狀分析，總結(jié)該技術(shù)對解決環(huán)境、能源問題的優(yōu)勢。本文主要探討了3點內(nèi)容：

a）適合我國電氣化公路的改造實施方案，淺析公路電氣化技術(shù)的可行性方案。

b）基于我國公路電氣化技術(shù)的研究現(xiàn)狀，在標(biāo)準(zhǔn)化的研究上，提出了相關(guān)思考和建議。

c）探討了公路電氣化技術(shù)與車路協(xié)同技術(shù)、新能源發(fā)電及并網(wǎng)消納技術(shù)智能電網(wǎng)技術(shù)的融合，并進行了應(yīng)用前景分析。

希望通過探析新型電動汽車補能技術(shù)——公路電氣化技術(shù)，來確保我國未來道路交通運輸系統(tǒng)的安全、綠色、高效運行。