電氣化公路及汽車技術經濟分析

導語：電氣化公路及汽車技術經濟分析一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1電氣化公路技術原理與基本構成

1.1電氣化公路概念與技術原理

電氣化公路是指布設了供電系統，能夠讓機動車輛在行駛過程中直接從電網連續取電以獲得驅動電能的道路，特征是可以為行駛中的車輛提供不間斷電力。為了跟獨立攜帶能源的燃油車輛或電動汽車相區別，我們把這種具有從電網集電功能的車輛稱為電力汽車。跟早期無軌電車最大的區別是，電力汽車必須攜帶部分能源，如燃料（汽油、柴油、天然氣、煤制氣等）或電池（蓄電池、燃料電池等），以便在非集電狀態下照常行駛。如超車時，在無供電系統的行車道上行駛時，或者離開電氣化公路時，就需要通過攜帶的能源提供動力，這時的運行工況則跟現有燃油汽車或電動汽車的狀態相同。因此電力汽車必然是一種“雙能源”汽車，根據需要也可設計成多能源或多動力模式。電力汽車的機動性能、靈活性，跟燃油汽車、電動汽車接近，將彌補無軌電車不能離開供電線路運行的缺陷。跟電動汽車的區別是，電力汽車可以直接利用電網電力驅動車輛，減少蓄能轉換環節，提高電能利用效率。電力汽車可以不停車為儲能電池充電，省去電動汽車必須停車充電的不便。由于能夠不停車充電，也不用停車加油，電力汽車的理論續航里程為無限長。嚴格地說，其續航里程以所攜帶的蓄電池循環使用壽命為限，即電力汽車只有當自帶的蓄電池達到循環壽命期限而不能再進行充放電時，才需要更換蓄電池單元。因此，電力汽車使用起來不僅比電動汽車方便，也比燃油汽車方便；既無需經常停車充電，也無需頻繁為油箱加油。

1.2電力汽車的動力組合模式

電力汽車可能的多動力組合模式有以下幾種：電網集電+儲能電池。即在非集電狀態下（離網運行），由儲能電池提供動力，這種電力汽車只需要電動機，不需要內燃機，車輛傳動結構簡單?？梢酝＼嚦潆姡部稍谛旭傔^程中完成充電。目前應用較廣泛的有鉛酸電池、鋰離子電池和鎳氫電池等。電網集電+燃料電池。即在非集電狀態下或離網運行時，由燃料電池提供動力，這種電力汽車也只需電動機，車輛傳動結構簡單。如果采用氫燃料電池，則需要加注氫燃料；如果采用金屬燃料電池，則需要更換金屬燃料模塊。電網集電+燃油。即在非集電狀態下，用汽油或柴油提供動力，這種電力汽車不僅需要電動機，同時需要配備內燃機，車輛動力結構較復雜。這是典型的雙動力模式電力汽車，不可避免地要經常前往加油站加油。電網集電+燃氣。即在非集電狀態下，用天然氣或煤制氣提供動力，這種電力汽車也需要電動機和內燃機兩套動力系統，車輛動力結構較復雜。這種模式的電力汽車則要經常前往加氣站加注燃氣。電網集電+電池+燃油／燃氣。這種電力汽車包括兩種以上的能源供應系統，一般可設計成“電網集電+電池+燃油”或“電網集電+電池+燃氣”模式。其內燃機可以直接跟車輛傳動系相連驅動車輛，也可作為發電機，把所發的電能提供給主電動機驅動車輛行駛，或者為蓄電池充電。

1.3電力汽車集電方案

電力汽車的集電方式主要有以下三種：（1）頂部集電。這種集電模式需要在道路上方布設架空線網，在車頂安裝集電器。傳統的無軌電車就是采用這種架空線網頂部集電的方式（如圖1所示），優點是道路行人、牲畜和其他移動物體難以接觸架空線網，因此電氣安全性好，可有效防止電擊事故；頂部集電桿可使電力汽車得到較大的偏線距離，對車輛沿線行駛的精度要求低。缺點是架空線網高度大，只適合車身較高的車輛從電網集電行駛，如大型客車、公交車輛和大型貨車，不適用于車身較低的小型車輛，如小轎車、小型貨車等，因而應用范圍受到限制；架空線網對道路上方空間形成屏障，會影響超高車輛通行，形成安全隱患，還會影響景觀。（2）側集電。是指沿中間隔離帶或道路一側布置供電系統，電力汽車的集電桿從車輛側面伸出，通過集電刷從電網取電（如圖2所示）。優點是電力網線（道上供電系統）布置在道路側面，不占用線路上方空間，不影響景觀，可以跟道路兩側的隔離帶、護欄等有機地融為一體；更重要的是，由于供電系統布置較低，適合所有不同高度車輛從電網取電，普及性好。缺點是對電力汽車沿線行駛的精度要求高，即車輛在集電行駛過程中必須與道上供電裝置保持適當距離，不能有過大的偏離；側面集電桿必須具有較高的定位精度，如集電刷上下偏離不能過大，否則無法正常觸網集電。（3）地面集電。即把供電系統布置在地面上，電力汽車集電桿從車輛下面伸出與地面線網接觸取電。優點是對集電器的定位精度要求低，也允許車輛行駛過程中發生較大偏離，適合各種車輛從電網集電。缺點是觸電風險高，供電系統容易遭受水浸侵蝕，容易被車輛及重物損壞，很容易被灰塵、雨雪、異物埋沒。

2電氣化公路與電力汽車經濟性分析

2.1電氣化公路供電系統成本分析

電氣化公路是尚未實施的技術項目，屬于較復雜的系統工程，準確估計其建設成本有一定困難。為分析其成本費用，可通過跟現有交通設施、電力供應系統作比較，初步判斷建設電氣化公路的成本。發展電氣化公路，需要在原有公路基礎上新增設施，新增項目主要有道上供電系統、變電站所、發電廠站與管理控制中心。在進行建設成本比較時，不用考慮電氣化公路與既有高速公路完全相同的設施項目，如道路建設成本。其他電氣化公路與既有高速公路在設施方面的區別如表1所示。不論二者部分設施的有無，僅從二者間有區別的設施項目來看，它們之間的成本差別將體現在油價和電價上。所以在初期成本分析中，分項建設費用可以不用考慮，可以認為電氣化高速公路的電價能夠涵蓋其分項的設施成本，而當前執行的電價已經包含了變電站、發電廠、供電系統和電力調度中心的管理費用，因此在分析電氣化高速公路建設成本時應該考慮的唯一有別于既有高速公路的設施項目是道上供電系統。該項可參照電氣化鐵路接觸網和無軌電車架空線網的建設費用進行估計。道上供電系統的設施成本可作如下估計：（1）單方向電氣化高速公路道上供電系統的電網功率等同于一級鐵路單方向接觸網功率。鐵路列車的平均追蹤距離取10km，一個車列的功率取5000kw，則平均功率為500kwkm。亦取該值為道上供電系統單方向的供電功率。（2）可認為鐵路接觸網的“網線塔架+承力索”的成本相當于道上供電系統支架成本，由于道上供電系統增加了大量傳感器、供電節電力轉換部件，其總體成本高于鐵路接觸網，按高出一倍計算。普通鐵路接觸網建設成本為20~30萬元km，取單方向道上供電系統的單位成本60萬元km。投資回收期按10年計，車流量按300輛h計，則分攤到每輛車上的費用為：即5.6元／車hkm，當投資回收期按更長時間考慮且車流量更大時，分攤到每輛車上百公里的供電系統建設費用會更低。

2.2傳統燃油汽車能源消耗

當前部分車型汽車的耗油量如表2所示。下面舉例計算燃油汽車的能耗費用，油料價格按8元／升計算。小客車以長城賽弗為例，100km的燃油費用為12×8=96（元／hkm）。大客車以沃爾沃為例，100km的燃油費用為26×8=208（元／hkm）。大貨車取歐曼牽引車重載工況，100km的燃油費用為50×8=400（元／hkm）。具體計算結果如表3所示。

2.3電力汽車能源消耗

仍然以長城賽弗越野車、沃爾沃大客車和歐曼牽引車為例，計算該車型改裝成電力汽車后使用電網電力的能耗。電價按0.5元／kwh計，計算可得每100km的能耗成本如表4所示。表4中的電動機計算功率（kw）為保守值，實際工況下平均功率小于該值，因此所計算的費用為保守估計值。

2.4電力汽車與燃油汽車運行成本比較

從表3、表4的計算結果可知，在電氣化高速公路上行駛的電力汽車能耗費用不超過普通燃油汽車能耗費用的12。前面計算已知建設電氣化高速公路增加的道上供電系統的分攤費用為5.6元／車hkm。因此，在考慮電氣化公路建設成本增加因素的情況下，電力汽車在電氣化高速公路上行駛的能耗加上建設成本的分攤，仍然小于普通高速公路上燃油汽車運行成本的一半。至于電力汽車的制造成本，雖然增加了安裝集電器的成本，但當采用“電網集電+儲能電池”模式時，只需要電動機，省去了內燃機，而且傳動機構大為簡化，因而汽車制造成本可以比燃油汽車低。如果采用“電網集電+燃油／燃氣”的雙動力模式，因為有兩套動力系統，車輛制造成本則比單一動力模式的汽車制造成本會提高。因此，從環保與經濟角度考慮，“電網集電+儲能電池”是電力汽車合理的動力模式。

3結語

電氣化公路的基本集電方式有頂部集電、側集電與地面集電三種，頂部集電模式非常類似于無軌電車，需要布置架空線網，如果在道路上方普遍架線，將會形成線網橫空密布的局面，從安全性、便捷性和景觀角度都是難以接受的。地面集電安全性差，且道上供電系統容易被埋沒和損壞。因此，側集電模式是最佳的集電方式。電力汽車的動力組合，若采用燃油／燃氣加電網集電，則需要兩套動力裝置——內燃機加電動機，增加車輛的復雜性，而且燃油／燃氣還會有部分污染。因此，電氣化公路上行駛的電力汽車最好采用電網集電加儲能電池模式，這將是一種沒有排放的純綠色交通。除了道上供電設施外，其他電氣化公路增加的供電系統建設成本都體現在電價中，因為現有的電價都已經包含了電力線路、變電站所、發電廠站、調度中心等建設與運行成本。計算表明，分攤到每輛汽車每次出行過程的道上供電系統建設成本很小，考慮此項成本后的電力汽車運行費用仍將小于燃油汽車的二分之一。雖然電力汽車制造會增加集電裝置成本，但采用“電網集電+儲能電池”模式的電力汽車制造成本將低于燃油汽車制造成本。由于需要的電池數量很少，所以車輛（包含電池）成本也會小于攜帶儲能電池的純電動汽車。電力汽車在行駛過程中要接近道上供電系統才能集電行駛，不能有過大偏離，超車時要脫離電網，在方便性方面顯得不如獨立攜帶能源的汽車優越。但集電狀態行駛的電力汽車運行會更有序，減少超車變道頻率，對提高公路交通安全性大有益處。另外，電力汽車很容易跟無人駕駛汽車技術對接，電氣化公路將是無人駕駛汽車得以發展的平臺，兩項技術的結合將會對減少汽車傷亡事故發揮重要作用。電力汽車的發展離不開性能良好的儲能電池，因此，過去幾十年來積累電動汽車技術與高性能電池生產經驗可為發展電氣化公路提供充分的技術保障。同時，電力汽車也將把電動汽車帶出寄希望于獨立攜帶電能運行的誤區。

本文作者:張耀平劉本林工作單位:西京學院真空管道交通研究所