电气化公路及汽车技术经济分析

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1电气化公路技术原理与基本构成

1.1电气化公路概念与技术原理

电气化公路是指布设了供电系统，能够让机动车辆在行驶过程中直接从电网连续取电以获得驱动电能的道路，特征是可以为行驶中的车辆提供不间断电力。为了跟独立携带能源的燃油车辆或电动汽车相区别，我们把这种具有从电网集电功能的车辆称为电力汽车。跟早期无轨电车最大的区别是，电力汽车必须携带部分能源，如燃料（汽油、柴油、天然气、煤制气等）或电池（蓄电池、燃料电池等），以便在非集电状态下照常行驶。如超车时，在无供电系统的行车道上行驶时，或者离开电气化公路时，就需要通过携带的能源提供动力，这时的运行工况则跟现有燃油汽车或电动汽车的状态相同。因此电力汽车必然是一种“双能源”汽车，根据需要也可设计成多能源或多动力模式。电力汽车的机动性能、灵活性，跟燃油汽车、电动汽车接近，将弥补无轨电车不能离开供电线路运行的缺陷。跟电动汽车的区别是，电力汽车可以直接利用电网电力驱动车辆，减少蓄能转换环节，提高电能利用效率。电力汽车可以不停车为储能电池充电，省去电动汽车必须停车充电的不便。由于能够不停车充电，也不用停车加油，电力汽车的理论续航里程为无限长。严格地说，其续航里程以所携带的蓄电池循环使用寿命为限，即电力汽车只有当自带的蓄电池达到循环寿命期限而不能再进行充放电时，才需要更换蓄电池单元。因此，电力汽车使用起来不仅比电动汽车方便，也比燃油汽车方便；既无需经常停车充电，也无需频繁为油箱加油。

1.2电力汽车的动力组合模式

电力汽车可能的多动力组合模式有以下几种：电网集电+储能电池。即在非集电状态下（离网运行），由储能电池提供动力，这种电力汽车只需要电动机，不需要内燃机，车辆传动结构简单。可以停车充电，也可在行驶过程中完成充电。目前应用较广泛的有铅酸电池、锂离子电池和镍氢电池等。电网集电+燃料电池。即在非集电状态下或离网运行时，由燃料电池提供动力，这种电力汽车也只需电动机，车辆传动结构简单。如果采用氢燃料电池，则需要加注氢燃料；如果采用金属燃料电池，则需要更换金属燃料模块。电网集电+燃油。即在非集电状态下，用汽油或柴油提供动力，这种电力汽车不仅需要电动机，同时需要配备内燃机，车辆动力结构较复杂。这是典型的双动力模式电力汽车，不可避免地要经常前往加油站加油。电网集电+燃气。即在非集电状态下，用天然气或煤制气提供动力，这种电力汽车也需要电动机和内燃机两套动力系统，车辆动力结构较复杂。这种模式的电力汽车则要经常前往加气站加注燃气。电网集电+电池+燃油／燃气。这种电力汽车包括两种以上的能源供应系统，一般可设计成“电网集电+电池+燃油”或“电网集电+电池+燃气”模式。其内燃机可以直接跟车辆传动系相连驱动车辆，也可作为发电机，把所发的电能提供给主电动机驱动车辆行驶，或者为蓄电池充电。

1.3电力汽车集电方案

电力汽车的集电方式主要有以下三种：（1）顶部集电。这种集电模式需要在道路上方布设架空线网，在车顶安装集电器。传统的无轨电车就是采用这种架空线网顶部集电的方式（如图1所示），优点是道路行人、牲畜和其他移动物体难以接触架空线网，因此电气安全性好，可有效防止电击事故；顶部集电杆可使电力汽车得到较大的偏线距离，对车辆沿线行驶的精度要求低。缺点是架空线网高度大，只适合车身较高的车辆从电网集电行驶，如大型客车、公交车辆和大型货车，不适用于车身较低的小型车辆，如小轿车、小型货车等，因而应用范围受到限制；架空线网对道路上方空间形成屏障，会影响超高车辆通行，形成安全隐患，还会影响景观。（2）侧集电。是指沿中间隔离带或道路一侧布置供电系统，电力汽车的集电杆从车辆侧面伸出，通过集电刷从电网取电（如图2所示）。优点是电力网线（道上供电系统）布置在道路侧面，不占用线路上方空间，不影响景观，可以跟道路两侧的隔离带、护栏等有机地融为一体；更重要的是，由于供电系统布置较低，适合所有不同高度车辆从电网取电，普及性好。缺点是对电力汽车沿线行驶的精度要求高，即车辆在集电行驶过程中必须与道上供电装置保持适当距离，不能有过大的偏离；侧面集电杆必须具有较高的定位精度，如集电刷上下偏离不能过大，否则无法正常触网集电。（3）地面集电。即把供电系统布置在地面上，电力汽车集电杆从车辆下面伸出与地面线网接触取电。优点是对集电器的定位精度要求低，也允许车辆行驶过程中发生较大偏离，适合各种车辆从电网集电。缺点是触电风险高，供电系统容易遭受水浸侵蚀，容易被车辆及重物损坏，很容易被灰尘、雨雪、异物埋没。

2电气化公路与电力汽车经济性分析

2.1电气化公路供电系统成本分析

电气化公路是尚未实施的技术项目，属于较复杂的系统工程，准确估计其建设成本有一定困难。为分析其成本费用，可通过跟现有交通设施、电力供应系统作比较，初步判断建设电气化公路的成本。发展电气化公路，需要在原有公路基础上新增设施，新增项目主要有道上供电系统、变电站所、发电厂站与管理控制中心。在进行建设成本比较时，不用考虑电气化公路与既有高速公路完全相同的设施项目，如道路建设成本。其他电气化公路与既有高速公路在设施方面的区别如表1所示。不论二者部分设施的有无，仅从二者间有区别的设施项目来看，它们之间的成本差别将体现在油价和电价上。所以在初期成本分析中，分项建设费用可以不用考虑，可以认为电气化高速公路的电价能够涵盖其分项的设施成本，而当前执行的电价已经包含了变电站、发电厂、供电系统和电力调度中心的管理费用，因此在分析电气化高速公路建设成本时应该考虑的唯一有别于既有高速公路的设施项目是道上供电系统。该项可参照电气化铁路接触网和无轨电车架空线网的建设费用进行估计。道上供电系统的设施成本可作如下估计：（1）单方向电气化高速公路道上供电系统的电网功率等同于一级铁路单方向接触网功率。铁路列车的平均追踪距离取10km，一个车列的功率取5000kw，则平均功率为500kwkm。亦取该值为道上供电系统单方向的供电功率。（2）可认为铁路接触网的“网线塔架+承力索”的成本相当于道上供电系统支架成本，由于道上供电系统增加了大量传感器、供电节电力转换部件，其总体成本高于铁路接触网，按高出一倍计算。普通铁路接触网建设成本为20~30万元km，取单方向道上供电系统的单位成本60万元km。投资回收期按10年计，车流量按300辆h计，则分摊到每辆车上的费用为：即5.6元／车hkm，当投资回收期按更长时间考虑且车流量更大时，分摊到每辆车上百公里的供电系统建设费用会更低。

2.2传统燃油汽车能源消耗

当前部分车型汽车的耗油量如表2所示。下面举例计算燃油汽车的能耗费用，油料价格按8元／升计算。小客车以长城赛弗为例，100km的燃油费用为12×8=96（元／hkm）。大客车以沃尔沃为例，100km的燃油费用为26×8=208（元／hkm）。大货车取欧曼牵引车重载工况，100km的燃油费用为50×8=400（元／hkm）。具体计算结果如表3所示。

2.3电力汽车能源消耗

仍然以长城赛弗越野车、沃尔沃大客车和欧曼牵引车为例，计算该车型改装成电力汽车后使用电网电力的能耗。电价按0.5元／kwh计，计算可得每100km的能耗成本如表4所示。表4中的电动机计算功率（kw）为保守值，实际工况下平均功率小于该值，因此所计算的费用为保守估计值。

2.4电力汽车与燃油汽车运行成本比较

从表3、表4的计算结果可知，在电气化高速公路上行驶的电力汽车能耗费用不超过普通燃油汽车能耗费用的12。前面计算已知建设电气化高速公路增加的道上供电系统的分摊费用为5.6元／车hkm。因此，在考虑电气化公路建设成本增加因素的情况下，电力汽车在电气化高速公路上行驶的能耗加上建设成本的分摊，仍然小于普通高速公路上燃油汽车运行成本的一半。至于电力汽车的制造成本，虽然增加了安装集电器的成本，但当采用“电网集电+储能电池”模式时，只需要电动机，省去了内燃机，而且传动机构大为简化，因而汽车制造成本可以比燃油汽车低。如果采用“电网集电+燃油／燃气”的双动力模式，因为有两套动力系统，车辆制造成本则比单一动力模式的汽车制造成本会提高。因此，从环保与经济角度考虑，“电网集电+储能电池”是电力汽车合理的动力模式。

3结语

电气化公路的基本集电方式有顶部集电、侧集电与地面集电三种，顶部集电模式非常类似于无轨电车，需要布置架空线网，如果在道路上方普遍架线，将会形成线网横空密布的局面，从安全性、便捷性和景观角度都是难以接受的。地面集电安全性差，且道上供电系统容易被埋没和损坏。因此，侧集电模式是最佳的集电方式。电力汽车的动力组合，若采用燃油／燃气加电网集电，则需要两套动力装置——内燃机加电动机，增加车辆的复杂性，而且燃油／燃气还会有部分污染。因此，电气化公路上行驶的电力汽车最好采用电网集电加储能电池模式，这将是一种没有排放的纯绿色交通。除了道上供电设施外，其他电气化公路增加的供电系统建设成本都体现在电价中，因为现有的电价都已经包含了电力线路、变电站所、发电厂站、调度中心等建设与运行成本。计算表明，分摊到每辆汽车每次出行过程的道上供电系统建设成本很小，考虑此项成本后的电力汽车运行费用仍将小于燃油汽车的二分之一。虽然电力汽车制造会增加集电装置成本，但采用“电网集电+储能电池”模式的电力汽车制造成本将低于燃油汽车制造成本。由于需要的电池数量很少，所以车辆（包含电池）成本也会小于携带储能电池的纯电动汽车。电力汽车在行驶过程中要接近道上供电系统才能集电行驶，不能有过大偏离，超车时要脱离电网，在方便性方面显得不如独立携带能源的汽车优越。但集电状态行驶的电力汽车运行会更有序，减少超车变道频率，对提高公路交通安全性大有益处。另外，电力汽车很容易跟无人驾驶汽车技术对接，电气化公路将是无人驾驶汽车得以发展的平台，两项技术的结合将会对减少汽车伤亡事故发挥重要作用。电力汽车的发展离不开性能良好的储能电池，因此，过去几十年来积累电动汽车技术与高性能电池生产经验可为发展电气化公路提供充分的技术保障。同时，电力汽车也将把电动汽车带出寄希望于独立携带电能运行的误区。

本文作者:张耀平刘本林工作单位:西京学院真空管道交通研究所