城市交通路口快速充電技術研究

李晨瑩

(山東省青島第二中學，山東 青島 266061)

我國汽車工業已經走過了60年的發展歷程。60年來，我國汽車工業從無到有，從小到大，由弱到強，不斷發展壯大，如今已成為國民經濟發展的重要支柱產業，形成了工業制造、商貿流通、綜合服務相結合的汽車產業。改革開放以來，特別是近幾年我國汽車工業發展勢頭強勁。據中國機械工業聯合會的統計，2000～2007年，我國汽車產量從200 萬輛躍升至888萬輛，連續7年平均增速超過20%。2008年汽車產量934.55萬輛，其中轎車產量503.7 萬輛，比2007年增長5%。截至2009年l0月，我國汽車年產量已突破l 000 萬輛，成為繼美、日之后第三個汽車年產破千萬輛的國家，進入千萬輛汽車生產大國行列。汽車工業作為國民經濟支柱產業之一，以其國內市場潛力大、產業關聯度高、帶動就業面廣、積累資金能力強等特點，為促進國民經濟快速發展做出了貢獻。然而，汽車數量的過快增長也帶來了一系列社會問題：環境污染加劇，道路擁堵嚴重，交通肇事上升，停車困難等。

目前青島市機動車保有量已超過200 萬，如果按平均長度4 米計算將200 萬輛車首尾相連，長達8 000 公里，造成很大的城市交通壓力。近年來青島市機動車每年都以10 萬輛左右的速度快速增長，每個月平均新車入戶1 萬余輛，最高每個月新車入戶達到3 萬余輛。日益增長的機動車數量也對城市的發展建設提出了新課題，尤其是對城市交通管理和大氣環境污染的治理造成了一定的壓力。發展電動汽車減少尾氣排放是解決措施之一，但電動汽車的儲能、續航能力和充電是制約因素，本文提出了在公共道路交通路口根據交通信號燈紅燈時間，由司機自主選擇是否利用地面供電裝置快捷充電，還可在紅燈時將汽車的慣性能量通過再生制動技術儲存起來，多余能量可以由地面供電裝置回收儲存，以實現節能環保的目的，并進行了技術原理設計和分析。

1 汽車通過交通路口的動能變化

常見轎車質量為1 100～1 700 kg，按單車質量1 500 kg，進入路口前初速度40 km/h 至停止線前停車計算，其動能變化為E動=mv2/2=92.6 kJ。

按常壓下水的定壓比熱為4.2 kJ/(kg·K)，即一次停車制動的能量足以使0.22 kg 的冰水燒開；或者若全部用于發電可產生0.026 度電。以93# 汽油為例，93 號汽油的密度為0.72～0.74 g/mL，折中算 0.73 g/mL，每 kg 汽油燃燒[1]時約放熱46 000 kJ，若燃油效率為20%，則燃燒一升汽油產生機械能為6 716 kJ，一次停車后再加速至40 km/h 相當于消耗0.028 升汽油。根據《城市道路設計規范》，信號十字交叉口通行能力按一條車道1 300 輛/h，若雙向2 車道，50%的車遭遇一個紅燈進行計算，高峰時每個車道每分鐘約有10 輛車需要停車讓行，則該十字路口每分鐘80 輛有制動停車，若全部用于發電，其能量相當于2.06 度電，相當于理論上高峰期該路口具有123.5 kW 的發電能力。

2 汽車動能的回收與儲存

儲能方式主要有：車載再生制動儲能，地面節能坡儲能，地面供電裝置儲能。若是電動或混合動力汽車，車載裝備有電動機，在通過路口遇到紅燈時，可通過再生制動將電動機變為發電機將減速運動時的動能轉化為電能儲存在車載超級電容或蓄電池中。若結合地理條件將路口改造為具有一定坡度的縱向截面為梯形平臺，則可在遇到紅燈時，使汽車惰行，利用動能勢能相互轉化原理，將汽車的部分動能轉化為勢能儲存起來。按照動能E動=mv2/2，勢能E勢=mgh計算，當v2/2=gh時，可不需要剎車制動，對應初速度40 km/h 需要6.3 m 的縱向高度的斜坡即可實現，而且由于與汽車的質量無關，因此適用于任何車輛。在平坦路面，可考慮地面設置充電裝置，在電動汽車底部裝備受電靴，當車輛進入該路段時，可自動放下受電靴，踩下剎車時電動機轉化為發電機，不斷把動能轉化為電能傳遞到車載和地面儲能裝置(如超級電容或電池)，通過超級電容吸收動能。以上三種方法均可減少剎車片的磨耗，車載再生制動儲能和地面節能坡儲能均能減少汽車的耗能。

3 電動汽車的儲能方式

電動汽車的儲能方式主要有蓄電池、超級電容和具有超級電容特性的蓄電池，蓄電池的內部反應為電化學反應，其充電過程為將電能轉化為化學能，放電過程剛好相反。蓄電池的優點是能量密度較高，如：特斯拉電動汽車的蓄電池比能量可達到170 Wh/kg，450 kg 電池系統的可用能量為53 kWh；最大續駛里程可以達到390 km，轉換效率可達135 Wh/km，但缺點是功率密度較低，導致所需的充電時間較長。超級電容優點是內部沒有電化學反應，能夠直接將電能儲存和釋放，比功率較高，通常能達到2 kW/kg，循環壽命長，可達百萬次，適合大電流充放電，可以瞬間完成充電。具有超級電容特性的蓄電池兼具二者優點，充電時間較短，其比能量可達到40 Wh/kg，充放電電流可達到1 000 A，若能解決隨時可快速充電的問題，則電動小汽車只需安裝少量這種蓄電池，市內交通若每天只考慮運行40 km，按照轉換效率135 Wh/km，每天只需充放電5.4 kWh，按照 1 000 A、500 V 只需充電39 s，在路口等待紅燈時就可充滿，按充放電深度50%配置，則蓄電池只需300 kg，且壽命可達10 萬次，一次采購使用終身，可使汽車質量、采購、使用維護成本大為降低。因此研究公共道路交通路口快速充電技術能夠推動電動汽車的快速發展。

4 公共道路交通路口快速充電裝置及其設置

在紅綠燈間隔時間超過40 s 的公共道路交通路口設置地面充電站，其功率按照高峰每分鐘80 輛車等候紅燈，滿足其中20 輛車充電需求設計，每輛車充電功率500 kW，需10 MW，分散到雙向4 車道，每個車道需2.5 MW。充電車道設置在紅燈等候停止標線內，每車道長度按20 輛車，每車5 m 考慮，每車道埋設地面供電軌長度為100 m。當電動汽車在紅燈等待通行時，地面充電站可通過無線方式與汽車聯網，司機根據需要發出充電請求信號，得到地面充電站允許時放下供電靴，利用電磁線圈將地面充電站供電極柱吸出供電，采用類似ETC 收費模式，進行計量和扣費，電動汽車回饋給地面充電站的再生制動能量可被計量并有償回收。

地面接觸式充電裝置，每車道獨立設置，按照該車道需要充電的最低電壓調節，直接連接車載蓄電池，不使用車載充電機，因此車載充電機僅考慮汽車回庫時緩慢充電時使用，功率不必太大。理想情況下應采用非接觸式充電裝置，但目前能夠投入應用的功率太小，所需充電時間長，不能滿足要求。如圖1所示的地面接觸式供電技術已在珠海有軌電車項目實施。對于非接觸式充電[2]裝置，如表1所示有電磁感應、磁共振、微波三種方式。

圖1 地面接觸式供電結構圖

表1 非接觸式充電裝置

5 結語

本文討論了在城市公共交通路口設置地面接觸式充電裝置，待車輛等候紅燈時為電動汽車補充能量，以減少電動汽車的車載儲能裝置和充電裝置的容量，降低電動汽車的成本和質量，其前提條件是車載儲能裝置能夠接受短時大電流充電。如果一個城市的主要道路均配置了地面接觸式充電裝置，那么這種電動汽車將得到推廣和普及。地面接觸式充電裝置和車載儲能裝置還能夠回收電動汽車遭遇紅燈時需要減速停車的動能，有利于節能。因此這種技術具有節能環保和可持續發展的特征，值得投入力量進行工程化研發和推廣，推動相關產業發展。

[1]薛麗麗，劉瓊瓊，李冬會，等.甲醇汽油熱值研究[J].內燃機，2011(5)：33-36.

[2]張寶群，李香龍.電動汽車非接觸式充電研究概況及實用化分析[J].電子測量技術，2012，35：1-6.