城市交通路口快速充电技术研究

李晨莹

(山东省青岛第二中学，山东 青岛 266061)

我国汽车工业已经走过了60年的发展历程。60年来，我国汽车工业从无到有，从小到大，由弱到强，不断发展壮大，如今已成为国民经济发展的重要支柱产业，形成了工业制造、商贸流通、综合服务相结合的汽车产业。改革开放以来，特别是近几年我国汽车工业发展势头强劲。据中国机械工业联合会的统计，2000～2007年，我国汽车产量从200 万辆跃升至888万辆，连续7年平均增速超过20%。2008年汽车产量934.55万辆，其中轿车产量503.7 万辆，比2007年增长5%。截至2009年l0月，我国汽车年产量已突破l 000 万辆，成为继美、日之后第三个汽车年产破千万辆的国家，进入千万辆汽车生产大国行列。汽车工业作为国民经济支柱产业之一，以其国内市场潜力大、产业关联度高、带动就业面广、积累资金能力强等特点，为促进国民经济快速发展做出了贡献。然而，汽车数量的过快增长也带来了一系列社会问题：环境污染加剧，道路拥堵严重，交通肇事上升，停车困难等。

目前青岛市机动车保有量已超过200 万，如果按平均长度4 米计算将200 万辆车首尾相连，长达8 000 公里，造成很大的城市交通压力。近年来青岛市机动车每年都以10 万辆左右的速度快速增长，每个月平均新车入户1 万余辆，最高每个月新车入户达到3 万余辆。日益增长的机动车数量也对城市的发展建设提出了新课题，尤其是对城市交通管理和大气环境污染的治理造成了一定的压力。发展电动汽车减少尾气排放是解决措施之一，但电动汽车的储能、续航能力和充电是制约因素，本文提出了在公共道路交通路口根据交通信号灯红灯时间，由司机自主选择是否利用地面供电装置快捷充电，还可在红灯时将汽车的惯性能量通过再生制动技术储存起来，多余能量可以由地面供电装置回收储存，以实现节能环保的目的，并进行了技术原理设计和分析。

1 汽车通过交通路口的动能变化

常见轿车质量为1 100～1 700 kg，按单车质量1 500 kg，进入路口前初速度40 km/h 至停止线前停车计算，其动能变化为E动=mv2/2=92.6 kJ。

按常压下水的定压比热为4.2 kJ/(kg·K)，即一次停车制动的能量足以使0.22 kg 的冰水烧开；或者若全部用于发电可产生0.026 度电。以93# 汽油为例，93 号汽油的密度为0.72～0.74 g/mL，折中算 0.73 g/mL，每 kg 汽油燃烧[1]时约放热46 000 kJ，若燃油效率为20%，则燃烧一升汽油产生机械能为6 716 kJ，一次停车后再加速至40 km/h 相当于消耗0.028 升汽油。根据《城市道路设计规范》，信号十字交叉口通行能力按一条车道1 300 辆/h，若双向2 车道，50%的车遭遇一个红灯进行计算，高峰时每个车道每分钟约有10 辆车需要停车让行，则该十字路口每分钟80 辆有制动停车，若全部用于发电，其能量相当于2.06 度电，相当于理论上高峰期该路口具有123.5 kW 的发电能力。

2 汽车动能的回收与储存

储能方式主要有：车载再生制动储能，地面节能坡储能，地面供电装置储能。若是电动或混合动力汽车，车载装备有电动机，在通过路口遇到红灯时，可通过再生制动将电动机变为发电机将减速运动时的动能转化为电能储存在车载超级电容或蓄电池中。若结合地理条件将路口改造为具有一定坡度的纵向截面为梯形平台，则可在遇到红灯时，使汽车惰行，利用动能势能相互转化原理，将汽车的部分动能转化为势能储存起来。按照动能E动=mv2/2，势能E势=mgh计算，当v2/2=gh时，可不需要刹车制动，对应初速度40 km/h 需要6.3 m 的纵向高度的斜坡即可实现，而且由于与汽车的质量无关，因此适用于任何车辆。在平坦路面，可考虑地面设置充电装置，在电动汽车底部装备受电靴，当车辆进入该路段时，可自动放下受电靴，踩下刹车时电动机转化为发电机，不断把动能转化为电能传递到车载和地面储能装置(如超级电容或电池)，通过超级电容吸收动能。以上三种方法均可减少刹车片的磨耗，车载再生制动储能和地面节能坡储能均能减少汽车的耗能。

3 电动汽车的储能方式

电动汽车的储能方式主要有蓄电池、超级电容和具有超级电容特性的蓄电池，蓄电池的内部反应为电化学反应，其充电过程为将电能转化为化学能，放电过程刚好相反。蓄电池的优点是能量密度较高，如：特斯拉电动汽车的蓄电池比能量可达到170 Wh/kg，450 kg 电池系统的可用能量为53 kWh；最大续驶里程可以达到390 km，转换效率可达135 Wh/km，但缺点是功率密度较低，导致所需的充电时间较长。超级电容优点是内部没有电化学反应，能够直接将电能储存和释放，比功率较高，通常能达到2 kW/kg，循环寿命长，可达百万次，适合大电流充放电，可以瞬间完成充电。具有超级电容特性的蓄电池兼具二者优点，充电时间较短，其比能量可达到40 Wh/kg，充放电电流可达到1 000 A，若能解决随时可快速充电的问题，则电动小汽车只需安装少量这种蓄电池，市内交通若每天只考虑运行40 km，按照转换效率135 Wh/km，每天只需充放电5.4 kWh，按照 1 000 A、500 V 只需充电39 s，在路口等待红灯时就可充满，按充放电深度50%配置，则蓄电池只需300 kg，且寿命可达10 万次，一次采购使用终身，可使汽车质量、采购、使用维护成本大为降低。因此研究公共道路交通路口快速充电技术能够推动电动汽车的快速发展。

4 公共道路交通路口快速充电装置及其设置

在红绿灯间隔时间超过40 s 的公共道路交通路口设置地面充电站，其功率按照高峰每分钟80 辆车等候红灯，满足其中20 辆车充电需求设计，每辆车充电功率500 kW，需10 MW，分散到双向4 车道，每个车道需2.5 MW。充电车道设置在红灯等候停止标线内，每车道长度按20 辆车，每车5 m 考虑，每车道埋设地面供电轨长度为100 m。当电动汽车在红灯等待通行时，地面充电站可通过无线方式与汽车联网，司机根据需要发出充电请求信号，得到地面充电站允许时放下供电靴，利用电磁线圈将地面充电站供电极柱吸出供电，采用类似ETC 收费模式，进行计量和扣费，电动汽车回馈给地面充电站的再生制动能量可被计量并有偿回收。

地面接触式充电装置，每车道独立设置，按照该车道需要充电的最低电压调节，直接连接车载蓄电池，不使用车载充电机，因此车载充电机仅考虑汽车回库时缓慢充电时使用，功率不必太大。理想情况下应采用非接触式充电装置，但目前能够投入应用的功率太小，所需充电时间长，不能满足要求。如图1所示的地面接触式供电技术已在珠海有轨电车项目实施。对于非接触式充电[2]装置，如表1所示有电磁感应、磁共振、微波三种方式。

图1 地面接触式供电结构图

表1 非接触式充电装置

5 结语

本文讨论了在城市公共交通路口设置地面接触式充电装置，待车辆等候红灯时为电动汽车补充能量，以减少电动汽车的车载储能装置和充电装置的容量，降低电动汽车的成本和质量，其前提条件是车载储能装置能够接受短时大电流充电。如果一个城市的主要道路均配置了地面接触式充电装置，那么这种电动汽车将得到推广和普及。地面接触式充电装置和车载储能装置还能够回收电动汽车遭遇红灯时需要减速停车的动能，有利于节能。因此这种技术具有节能环保和可持续发展的特征，值得投入力量进行工程化研发和推广，推动相关产业发展。

[1]薛丽丽，刘琼琼，李冬会，等.甲醇汽油热值研究[J].内燃机，2011(5)：33-36.

[2]张宝群，李香龙.电动汽车非接触式充电研究概况及实用化分析[J].电子测量技术，2012，35：1-6.