新能源電動汽車未來補能技術路徑探析

張俊生，牛 斌 ，李達峰 ，李永勝，羅霄霞 ，尹宇軍，吳宏濤

（1.山西省交通運輸廳，山西 太原 030001；2.山西省交通運輸安全應急保障技術中心（有限公司），山西 太原 030032；3.山西交控生態環境股份有限公司，山西 太原 030032；4.山西省交通科技研發有限公司，山西 太原 030032）

建設新型基礎設施，實現“雙碳”目標，解決能源和環境問題是國家戰略需求，也是實現經濟高質量轉型的重要保障。據2021年度統計，我國2020年消耗石油總量約為94 122萬t[1]。我國石油依靠進口的比例較高，目前已經超過美國等發達國家，成為全球第一大石油進口國。我國在《綠色交通“十四五”發展規劃》中指出，把資源能源節約和生態環境保護擺在行業發展更加突出的位置，推動交通運輸領域加快形成綠色生產生活方式[2]。因此，基于我國推動實現可持續發展的內在要求，宣布碳達峰和碳中和的目標愿景，提高電能在未來交通領域中能源消費所占的比例，能夠有效解決能源和環境污染問題所帶來的負面效應。

目前，電動汽車主流的電能補能路徑主要有3種，第1種為傳導式充電，車輛需要到充電站進行插電充電，受到電池容量、重量和快速充電技術的限制，這種方式耗時長，且電池容量對于車輛續航里程限制極大，不能滿足長路程和大重量運輸的需求。第2種方式是車輛使用增程式發動機，當電池電量不足時，發動機用來發電，為電池充電，工作在最佳轉速區間，電池再為驅動車輛的電動機提供能量，即電機直接驅動車輛，發動機不參與驅動。其優點在于充電過程是在車輛行駛中，顯著減少了充電時間，且石油轉化效率較高。但是缺點也很明顯，這種方式需要使用石油，并不能節省化石燃料，沒有達到節能減排的目的。第3種是換電模式，即車電分離，電池可以從車輛中取下。客戶將車輛開到換電站，并通過更換車載電池的方法來補充電能。換電站的運營商負責電池的購買、租賃、充電、快速更換及管理，客戶只要依照消耗電池的電能來支付費用。這種方式不僅解決了“里程焦慮”問題，并且克服了定點充電時間長的缺點，理論上只需5～8 min，即可完成換電服務。但是，換電服務增加了安全隱患，電池在取裝過程中，增加了電池的磨損，易出現松動，稍有接觸不良易出現短路而引發自燃、涉水漏電等問題，都是消費者所擔心的。此外，目前少數采用換電模式的車企，換電站的數量并不多，用戶的換電體驗并沒有達到預期效果，尤其在高速公路服務區的換電站數量極少，遠遠不能滿足消費者的需求，還需要大量的資金來建設換電站，提高服務質量。

電氣化公路作為新型補能技術，可以從根本上解決汽車連續行駛對電能的需求和能源、環保問題，在電氣化公路上行駛的司機無需擁有“里程焦慮”，能夠充分滿足電動汽車的行駛要求。因此，建設電氣化公路是最佳方案。根據《新能源汽車產業發展規劃（2021—2035年）》，國內在新能源汽車的發展上，有較為明確的指示，但在電車換電方式上，并沒有清晰的政策支撐。為了向“零排放”的目標前進，實現雙（多）動力補充方式，電氣化公路對于電動汽車行業的推廣以及電動汽車續航能力的進一步提升，起到了決定性的作用，具有極大的發展前景。

此外，由于鐵路、水路有著運量大、成本低、安全性高等優勢，自2018年以來，我國“公轉鐵、公轉水”的政策不斷推進，減少公路貨運比重，來達到降低柴油貨車的污染排放，改善空氣質量的目的。但是，公路運輸的靈活性卻是不可替代的，在短途運輸中，實現點對點的對接、貨物裝卸及運輸成本占比，公路運輸具有絕對的優勢。因此，為了提高公路運輸與鐵路和水路運輸的競爭優勢，保證運輸靈活性的同時，兼顧節能環保，針對公路電氣化技術的研究是非常必要的。目前，德國西門子公司開始對公路電氣化技術進行研究，借鑒軌道交通技術方案，提出了“電氣化公路技術”（e-Highway)，并完成了部分試驗路段[3-4]。我國在公路電氣化技術方面的研究相對較少。

本文在我國現階段公路電氣化技術分析的基礎上，提出公路電氣化技術實施的思考和建議，探索未來公路電氣化技術的應用拓展。希望通過研究，選取適合的場地進行示范應用，不斷改進方案來促進公路電氣化技術的逐漸成熟。本文技術架構圖如圖1。

圖1 技術架構圖

1 公路電氣化技術發展趨勢

1.1 公路電氣化技術的可行性方案淺析

公路電氣化技術是一種新興的道路交通技術。道路與車輛之間的電力傳輸主要有兩種方式：傳導式和感應式。傳導式電力傳輸主要依靠道路和車輛之間的物理連接，而感應式是通過道路和車輛之間的磁場通量變化進行的無線電力傳輸。傳導式在道路和車輛之間的電力傳輸有3種方案，分別是地面內嵌式、側集電式和架空式傳輸。

感應式傳輸方案不需要任何導線連接，就可以將路面下的電能從道路傳輸到車輛，如圖2。主要通過兩套線圈實現，初級線圈（放置在道路上）和次級線圈（放置在車輛下面）。電能通過電磁感應從初級線圈轉移到次級線圈。但是線圈之間的垂直距離以及線圈中心點在水平方向上的距離對于無線充電的效率影響很大。由于車輛在行駛過程中很難保持相對地面不動的位置，并且高密度的次級線圈也會增加汽車的重量。所以，該技術用于車輛動態充電時還將面臨新的挑戰。

圖2 無線充電方案

地面內嵌式傳輸方案是路面軌道式公路電氣化技術，其方法是在高速公路的路面上安裝內嵌的供電軌道。在電力汽車的底盤上安裝可以自主升降的充電連接桿，并且在軌道上有一定的活動空間。當電動車輛在行駛過程中需要充電時，便可以通過連接桿在充電軌道上獲取電能來行駛，或者為電動車輛的電池組進行充電，如圖3。

圖3 地面內嵌式有線充電方案

側集電式傳輸方案是在高速公路的路側設置供電系統，在電力汽車的側邊安裝伸縮集電刷。電力汽車充電時，只需轉換到側邊車道行駛，并通過伸縮集電刷在路側供電系統中進行補能，如圖4。此外，側供電系統的安全性與路燈是相同的，供電線路設在側供電系統箱體的內部或地下，極板平時沒電，有供電申請時才通過開關向極板輸電。所以，側集電式傳輸方案可以作為我國電氣化公路的改造方法。

圖4 側集電式有線充電方案

架空式傳輸方案可以在傳統道路上進行改造，是另一種適合我國的電氣化公路改造方法。其主要部分由接觸網、電力汽車、電氣化公路3部分組成。接觸網主要的組成結構有接觸網懸掛裝置、支撐裝置和定位裝置。電氣化公路電網的建設，需要在路面一側的電線桿上架設橫跨，架設接觸網。電力汽車通過在頂部設置的動態受電弓接收電網提供的電能來驅動行駛，如圖5。同時在行駛過程中，還會為車輛充電以滿足在傳統道路上行駛的需求。在不同的車速下，受電弓也能夠隨時調整，使汽車和接觸線連接或者斷開。通過專門的傳感器技術，使得動態受電弓改變其在接觸線上的位置，抵消卡車在車道上產生的側向運動。這項技術大大降低了整個受電弓的磨損，從而保證使用的耐久性。在遇到突發性事件或需要變道運行時，電動汽車會自動將受電弓與接觸網分離，車輛使用蓄電池供電來保證安全和正常行駛。

圖5 架空式有線充電方案

電氣化公路的實施，應先從建設試驗基地和示范工程著手，物流園區、海港碼頭等物流集中路段可以作為試點布設。技術逐漸成熟后，可以在部分地區或重要運輸通道進行推廣，對車輛和基礎設施進行電氣化升級。

1.2 公路電氣化技術標準化探索研究

基于我國對于公路電氣化技術的研究現狀，在標準化的研究上，總結了3點思考和建議。

1.2.1 跨行業、跨技術領域公路電氣化技術標準體系逐步完善

公路電氣化技術的應用，是不同產業、不同技術、不同管理主體的綜合應用，標準化工作也是跨行業、跨科技領域的綜合體工作。在公路路網電氣化建設的基礎上，也需要電力汽車的相關技術協調和跟進。目前，我國交通、汽車、通信、電氣等相關機構已經意識到在電氣化公路領域協同合作的重要性，逐步加強完善標準化的整體設計與合作，是我們的重點工作。

1.2.2 突破技術瓶頸 集中標準工作研究重心

我國電氣化公路領域的研究尚處于初級階段，受到技術條件的約束。雖然已經有電動公交車和電氣化鐵路技術作為基礎，但汽車在公路上實現高速運行及應急換道等操作，還需要大量的技術支持和試驗驗證。所以，明確工作重心，集中技術攻關，健全相關技術標準體系，公路電氣化技術的標準化建立才能有效推進。

1.2.3 完善技術標準與市場融合

以市場應用需求為導向，建立并完善相關技術標準體系才能有效引導技術創新、產業的發展。通過技術標準研制與技術創新，建立市場化的有效互動機制，明確對相關行業的指導性和推動性作用。

因此，為保證公路電氣化技術能夠科學、規范地發展，緩解我國嚴峻的不可再生能源的消耗和碳排放造成的環境污染問題，現在迫切需要建立電氣化公路國家試驗場，進行技術研究。此外，輸電端應由國家交通運輸管理部門或交通企業開展標準研究，盡早形成全國統一標準，受電端（新能源汽車）據此標準進行受電技術研究和車輛改造，加強與市場的結合。公路電氣化技術的標準化工作將成為促進行業發展應用，提高道路交通安全水平、管理水平和運行效率的重要推進力量。

1.3 公路電氣化技術與新技術的融合

1.3.1 公路電氣化技術與車路協同技術的結合

目前，貨車責任的交通事故占事故總量比例相對較高，貨車引發的事故原因主要有：超速、超載、疲勞駕駛等。公路電氣化技術和車路協同自動駕駛技術的結合，可以在很大程度上解決這個問題。車路協同是緩解交通擁堵和保證交通安全的重要技術手段，公路電氣化技術則可以有效解決電動汽車的長距離行駛和連續運行問題。在電力卡車運行的過程中，采用智能卡車編組和智能駕駛模式，可以盡可能縮短卡車的跟車距離，并且降低正常運行車輛的風阻約30%左右。不僅可以節約能源，還降低了司機的勞動強度，提高了車輛運行的通行效率以及安全性。

1.3.2 公路電氣化技術與可再生能源并網消納

基于國家能源發展戰略以及碳達峰碳中和目標，結合國家新能源汽車產業發展規劃，以未來公路貨運需求為切入點，形成電氣化技術在公路中應用的需求現狀與發展趨勢，推動路側可再生能源（風力、光伏）就地消納，解決目前可再生能源并網與輸送的難題。同時，可再生能源為新能源載重汽車提供能源支撐，完善綠色出行公路基礎設施建設。

1.3.3 公路電氣化技術與智能電網的結合

中共中央、國務院印發了《國家綜合立體交通網規劃綱要》，要求推進交通基礎設施網與能源網融合發展，健全能源戰略物資運輸保障體系。公路電氣化技術是道路交通運輸的新型技術，是高速公路與智能電網之間的聯結紐帶。智能電網為公路電氣化技術的發展提供了強有力的能源支撐，可以實現集中式發電、分布式發電等多種發電方式，滿足多樣化的電力需求，提高能源利用效率，減少電能損耗。公路電氣化技術與智能電網的融合，適應新能源發展要求，能夠優化電動汽車補能技術，實現電動汽車在高速公路運輸領域的跨越式發展。

2 電氣化公路前景展望

國家一直堅持能源的可持續發展戰略，鼓勵推動可再生能源汽車產業的高速發展。工業和信息化部公布的《新能源汽車產業發展規劃（2021—2035年）》中提出，到2025年，新能源汽車新車銷量占比將達到25%左右，智能網聯汽車新車銷量占比將達到30%，高度自動駕駛智能網聯汽車實現限定區域和特定場景商業化應用[5]。隨著新能源汽車行業的迅猛發展，不僅顯著減少了化石燃料的使用，節能減排，保護環境和不可再生能源，還使大量高新技術成果和資金紛紛投入到新能源汽車市場中，對中國經濟轉型也起到了至關重要的作用。

電氣化公路為我國探索環境資源保護和電動汽車的進一步發展，提供了一種新思路，是目前世界公認的綠色交通運輸方式。可再生能源來源十分廣泛，包括太陽能、水能、風能、核能等，運用這些可再生能源來驅動電動汽車行駛，并不會產生污染性氣體。隨著各個行業對于能源需求的提高，電氣化公路的實施為節約不可再生資源作出了巨大的貢獻。過去人們一直將汽車與公路分開來看，認為公路與汽車是兩個獨立的個體，而今公路電氣化技術的出現，將逐漸改變人們對傳統道路運輸行業的認識。

3 結語

為了推進“綠色”新基建，保障我國在實現雙碳目標過程中的能源系統高效與安全運行，公路電氣化技術未來具有廣闊的發展應用前景。通過對公路電氣化技術現狀分析，總結該技術對解決環境、能源問題的優勢。本文主要探討了3點內容：

a）適合我國電氣化公路的改造實施方案，淺析公路電氣化技術的可行性方案。

b）基于我國公路電氣化技術的研究現狀，在標準化的研究上，提出了相關思考和建議。

c）探討了公路電氣化技術與車路協同技術、新能源發電及并網消納技術智能電網技術的融合，并進行了應用前景分析。

希望通過探析新型電動汽車補能技術——公路電氣化技術，來確保我國未來道路交通運輸系統的安全、綠色、高效運行。