电气化道路技术综述

2021-10-23夏群悦

新型工业化 2021年8期

夏群悦

（天津市交通科学研究院，天津 300074）

0 引言

在20世纪的工业革命中，石油能源的广泛使用推动了经济的持续高速发展。然而，石油是一种不可再生资源，预计未来20年内，世界石油消费的增长速度将远高于过去20年的平均增长水平。未来社会发展对石油的需求仍呈稳定增长的趋势，供需矛盾突出。为了解决能源危机，许多国家调整了能源战略。

在2020年9月22日的第七十五届联合国大会一般性辩论上，中国提出力争于2030年前实现CO2排放达到峰值，并努力在2060年前实现碳中和。“碳达峰、碳中和”已纳入生态文明建设的总体布局，这将会对全球能源供需格局产生深远影响。

中国一次能源生产和消费规模较大，均居世界首位，供需结构以煤炭、石油、天然气等化石能源为主。其中，煤炭资源是我国能源消费的主体。到2020年，煤炭占我国一次能源产量的近70%，消费量占一半以上。但是，国内油气产量不能满足我国需求的快速增长，对外依存度仍居高不下，我国的能源形式不容乐观。

1 电气化道路的必要性

近年来，电动汽车和插电混合动力汽车技术发展迅速，并已投入市场，但与传统汽车相比，其最大的问题是续航能力不足。根据Gomez-Ibanez等人的研究，广泛使用电动车的六个主要障碍中，有两个与车辆的续航能力直接相关，即续航焦虑（担心汽车在电池充满电后却不足以到达目的地），以及充电设施的可用性[1-2]。

电气化道路系统（Electric Road System，ERS）可以很好的解决这些问题。ERS的原理很像有轨电车，将道路连接到电网中，一旦汽车连接到道路，它也将连接到该电网，在车辆行驶的同时充电。ERS系统可以将道路运输从依赖化石燃料转为可再生能源。

2 电气化道路技术研究现状

电气化道路系统主要目的是为在其上行驶的车辆持续提供电力。该技术与现有的道路基础设施兼容，由燃料驱动的传统车辆可以在电气化道路上正常行驶，无需连接到ERS。使用ERS的车辆也配备了小型电池或内燃机，这意味着车辆也可以行驶在普通道路上。

ERS电气化道路系统被分为四个子系统：能源供应系统、动力传输系统、道路系统、道路运营系统。

2.1 能源供应系统

为了能够持续为车辆提供能源，ERS必须有持续的能源供应。可通过连接到电网来解决能源供应问题。

2.2 动力传输系统

ERS中的动力传输是通过两个部分完成的，即道路和路边组件。道路部分负责在道路和行驶的车辆之间进行电力传输，路边组件则是负责将电从电网转移到道路上。道路和车辆之间的电力传输主要有两种方式：传导式和感应式。传导式电力传输是基于道路和车辆之间的物理连接，而感应式是通过道路和车辆之间的磁场通量进行的无线电力传输。传导式在道路和车辆之间的电力传输有两种方案，通过架空电力线传输，将车辆连接到道路上方的接触网，并通过受电弓传输电力（见图1a）；或者通过内置在道路上的带电轨道，经由机械取电臂传输电力（见图1b）。

图1 三种成熟的ERS技术

2.2.1 架空式技术

架空导电技术是安装在路边支柱上的导电线，通过受电弓将车辆直接连接到电网。这种技术的优势是灵活，它所连接的车辆可以自由地横向移动（超车、变道等）和垂直移动。

架空导电线技术是一种较为成熟的技术，已经在全球多地铺设试验段。与轨道式和感应式技术相比，它可以减少道路基础设施的改造，只改造车辆上的受电弓，即可连接到架空导电线。但这种技术也有缺点，最突出的是只有卡车和公共汽车可以使用，因为线路和受电弓之间的距离要求车辆有一定的高度。

2.2.2 轨道式技术

轨道式技术是将导电轨道铺设在道路上，车辆通过一个机械臂连接到轨道上，将电力从轨道传送至车辆（见图1b）。

轨道式技术中最核心的是安装在车辆上的机械臂。当车辆在ERS道路上行驶时，机械臂将自动连接到轨道上，在行驶过程中能够水平移动。当ERS道路结束时，机械臂将自动断开。

2.2.3 感应式技术

感应式技术（见图1c）是基于通过ERS系统和车辆之间的交流磁场来无线传输电力。感应方式与交流电力变压器中的机制相同，是由一个层叠的铁芯组成。将这种无线感应技术应用于ERS，是将分裂的铁芯的一部分安装在于车辆中，而道路作为另一个铁芯部分的延伸。

2.3 道路系统

建设ERS道路有两种不同方案：建造一条全新的道路并预先铺设ERS设施，或是对现有的道路进行改造。从建设的总成本来看，建设一条全新的道路并预先铺设ERS设施，比改造现有的道路成本要高。

由于道路的电气化将改变车辆的驾驶方式和道路上的交通流量，因此ERS系统的存在可能增加道路磨损的风险。如果电力传输技术只安装在一条车道上，可能会导致这条车道流量的增加。安装ERS可能导致更多的车辆选择在这条路上行驶，特别是在电力（燃料）价格低的情况下，从而导致此车道的磨损特别严重。

2.4 道路运营系统

建设和维护一条ERS道路与传统的道路相比有很大的不通。对于ERS系统来说，对道路进行数据收集、监测、与行驶车辆的互动变得越来越重要--车辆能够测量其能源消耗，并将这些信息实时反馈给ERS的系统运营商，运营商可通过这些信息及时判断ERS系统的运行情况从而及时调度车辆。这些信息对于建立智慧交通系统至关重要。目前系统是通过车辆上的传感器进行数据的测量和收集。

由于驾驶员和ERS的系统运营商之间有一个数据链接，可以利用这一链接在这两者间分享信息，包括交通流量、及时天气、道路状况等，也可以为车辆和电网提供更灵活的能源供应策略。

3 技术优势

3.1 运营成本低

由于电力比汽油/柴油更便宜，因此ERS车辆的运行成本更低。据测算，考虑能耗成本，再加上车载受电弓等设备改造的综合成本，ERS车辆运输成本比普通柴油车低32%。因此，推进ERS技术商业化具有很大的经济优势。而随着电气化公路的发展，运输成本尤其是受电弓生产改造成本也将进一步降低。

3.2 减少能源依赖

在实现“双碳目标”的过程中，减少对进口能源的依赖，转变能源模式已经成为我国能源发展的主要方向之一。加强对核电、水电、风能、太阳能等可再生能源的应用研究，可以有效减少我国对进口能源的依赖[4]。ERS系统可以有效的减少燃油使用量，减少汽车尾气排放，缓解我国能源危机，为我国可持续发展奠定基础。

3.3 施工技术简单

道路电气化的建设，只需将车上添加电池以及充电设备即可充电。现阶段，我国的道路电气化改造主要集中道路上，通过在道路上建设电网实施电气化改造，将电厂中的电直接输送到电网上，即可为ERS车辆提供动力牵引。此外，在现有公路上架设电气化公路运输系统供配电设施，在施工过程中无需完全阻断交通，对于社会的负面影响较小，有利于工程开展。