0 引 言
隨著IT技術(shù)的日益成熟與普及，打造便捷、快速、安全、節(jié)能與環(huán)保的交通運(yùn)輸成為迫切的歷史任務(wù)，受到各國、各界人士高度關(guān)注。在公路交通領(lǐng)域，汽車生產(chǎn)與普及的進(jìn)程在不斷加速，確實(shí)給人們帶來了便捷，但快速的期待總被無情的堵車打碎。更富有諷刺性的，也更嚴(yán)峻的現(xiàn)實(shí)是，汽車交通已經(jīng)演變?yōu)榘踩?大殺手、石油資源的*大消耗者和碳排放的首要制造者。過去十多年中，我國政府、專家界和產(chǎn)業(yè)界寄希望于電動(dòng)汽車，投入了大量資金、財(cái)力和人力扶持發(fā)展電動(dòng)汽車。然而電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程不長，電池儲能容量與循環(huán)壽命有限，使用不便、安全性不佳、成本又高，這些問題未見有實(shí)質(zhì)性的解決。如今的現(xiàn)狀是，電動(dòng)汽車難以進(jìn)入尋常百姓家。
至此，事情已經(jīng)顯然，不是電動(dòng)汽車技術(shù)不夠好，也不是各界對電動(dòng)汽車的重視與投入不足。問題的關(guān)鍵是，對電動(dòng)汽車的技術(shù)路線在認(rèn)識上出現(xiàn)了偏差，不適當(dāng)?shù)剡^高估計(jì)了電池的潛力。如果轉(zhuǎn)變思路，把儲能電池作為輔助動(dòng)力源，把電網(wǎng)電力作為主要?jiǎng)恿?，建造電氣化公路，開行電力汽車，則可能開創(chuàng)便捷、節(jié)能且清潔環(huán)保的汽車新時(shí)代。劉本林、趙潤生、周良勇等人分別于1995和2009年申請了關(guān)于電氣化公路的**，給出了側(cè)集電模式的技術(shù)方案；陳潤松、李善伯、張鐵忠等人于1994和2002年申請的**均給出了公路電氣化的思路，其中涉及到地面集電技術(shù)方案；云飛、張志堅(jiān)、羅俊、郭春林等人分別于2007、2010和2011申請了關(guān)于頂部集電方案的電氣化公路相關(guān)**。苑殿坤和張鐵忠等人還分別撰文論述了電氣化公路思想，提出了建設(shè)電氣化公路的建議。
本文首先對電氣化公路進(jìn)行了定義，提出“電力汽車”概念；對電氣化公路的各種思路與技術(shù)方案予以分析，給出合理的集電模式與動(dòng)力組合方案建議；分析比較了燃油汽車與電力汽車的運(yùn)行費(fèi)用，得出電力汽車運(yùn)行成本小于燃油汽車運(yùn)行成本一半的結(jié)論。
1 電氣化公路技術(shù)原理與基本構(gòu)成
1.1 電氣化公路概念與技術(shù)原理
電氣化公路是指布設(shè)了供電系統(tǒng)，能夠讓機(jī)動(dòng)車輛在行駛過程中直接從電網(wǎng)連續(xù)取電以獲得驅(qū)動(dòng)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(dú)立攜帶能源的燃油車輛或電動(dòng)汽車相區(qū)別，我們把這種具有從電網(wǎng)集電功能的車輛稱為電力汽車。
跟早期無軌電車*大的區(qū)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(tài)下照常行駛。如超車時(shí)，在無供電系統(tǒng)的行車道上行駛時(shí)，或者離開電氣化公路時(shí)，就需要通過攜帶的能源提供動(dòng)力，這時(shí)的運(yùn)行工況則跟現(xiàn)有燃油汽車或電動(dòng)汽車的狀態(tài)相同。因此電力汽車必然是一種“雙能源”汽車，根據(jù)需要也可設(shè)計(jì)成多能源或多動(dòng)力模式。電力汽車的機(jī)動(dòng)性能、靈活性，跟燃油汽車、電動(dòng)汽車接近，將彌補(bǔ)無軌電車不能離開供電線路運(yùn)行的缺陷。
跟電動(dòng)汽車的區(qū)別是，電力汽車可以直接利用電網(wǎng)電力驅(qū)動(dòng)車輛，減少蓄能轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，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(dòng)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(xù)航里程為無限長。嚴(yán)格地說，其續(xù)航里程以所攜帶的蓄電池循環(huán)使用壽命為限，即電力汽車只有當(dāng)自帶的蓄電池達(dá)到循環(huán)壽命期限而不能再進(jìn)行充放電時(shí)，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(dòng)汽車方便，也比燃油汽車方便；既無需經(jīng)常停車充電，也無需頻繁為油箱加油。
1.2 電力汽車的動(dòng)力組合模式
電力汽車可能的多動(dòng)力組合模式有以下幾種：電網(wǎng)集電+儲能電池。即在非集電狀態(tài)下（離網(wǎng)運(yùn)行），由儲能電池提供動(dòng)力，這種電力汽車只需要電動(dòng)機(jī)，不需要內(nèi)燃機(jī)，車輛傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡單?？梢酝＼嚦潆姡部稍谛旭傔^程中完成充電。目前應(yīng)用較廣泛的有鉛酸電池、鋰離子電池和鎳氫電池等。
電網(wǎng)集電+燃料電池。即在非集電狀態(tài)下或離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，由燃料電池提供動(dòng)力，這種電力汽車也只需電動(dòng)機(jī)，車輛傳動(dòng)結(jié)構(gòu)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(wǎng)集電+燃油。即在非集電狀態(tài)下，用汽油或柴油提供動(dòng)力，這種電力汽車不僅需要電動(dòng)機(jī)，同時(shí)需要配備內(nèi)燃機(jī)，車輛動(dòng)力結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。這是典型的雙動(dòng)力模式電力汽車，不可避免地要經(jīng)常前往加油站加油。
電網(wǎng)集電+燃?xì)?。即在非集電狀態(tài)下，用天然氣或煤制氣提供動(dòng)力，這種電力汽車也需要電動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)兩套動(dòng)力系統(tǒng)，車輛動(dòng)力結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。這種模式的電力汽車則要經(jīng)常前往加氣站加注燃?xì)狻ｋ娋W(wǎng)集電+電池+燃油／燃?xì)?。這種電力汽車包括兩種以上的能源供應(yīng)系統(tǒng)，一般可設(shè)計(jì)成“電網(wǎng)集電+電池+燃油”或“電網(wǎng)集電+電池+燃?xì)狻蹦Ｊ?。其?nèi)燃機(jī)可以直接跟車輛傳動(dòng)系相連驅(qū)動(dòng)車輛，也可作為發(fā)電機(jī)，把所發(fā)的電能提供給主電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shè)架空線網(wǎng)，在車頂安裝集電器。傳統(tǒng)的無軌電車就是采用這種架空線網(wǎng)頂部集電的方式（如圖1所示），優(yōu)點(diǎn)是道路行人、牲畜和其他移動(dòng)物體難以接觸架空線網(wǎng)，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(diǎn)是架空線網(wǎng)高度大，只適合車身較高的車輛從電網(wǎng)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(yīng)用范圍受到限制；架空線網(wǎng)對道路上方空間形成屏障，會(huì)影響超高車輛通行，形成安全隱患，還
會(huì)影響景觀。
（2）側(cè)集電。是指沿中間隔離帶或道路一側(cè)布置供電系統(tǒng)，電力汽車的集電桿從車輛側(cè)面伸出，通過集電刷從電網(wǎng)取電（如圖2所示）。優(yōu)點(diǎn)是電力網(wǎng)線（道上供電系統(tǒng)）布置在道路側(cè)面，不占用線路上方空間，不影響景觀，可以跟道路兩側(cè)的隔離帶、護(hù)欄等有機(jī)地融為一體；更重要的是，由于供電系統(tǒng)布置較低，適合所有不同高度車輛從電網(wǎng)取電，普及性好。缺點(diǎn)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(dāng)距離，不能有過大的偏離；側(cè)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(wǎng)集電。
（3）地面集電。即把供電系統(tǒng)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(wǎng)接觸取電。優(yōu)點(diǎn)是對集電器的定位精度要求低，也允許車輛行駛過程中發(fā)生較大偏離，適合各種車輛從電網(wǎng)集電。缺點(diǎn)是觸電風(fēng)險(xiǎn)高，供電系統(tǒng)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(jīng)濟(jì)性分析
2.1 電氣化公路供電系統(tǒng)成本分析
電氣化公路是尚未實(shí)施的技術(shù)項(xiàng)目，屬于較復(fù)雜的系統(tǒng)工程，準(zhǔn)確估計(jì)其建設(shè)成本有一定困難。為分析其成本費(fèi)用，可通過跟現(xiàn)有交通設(shè)施、電力供應(yīng)系統(tǒng)作比較，初步判斷建設(shè)電氣化公路的成本。發(fā)展電氣化公路，需要在原有公路基礎(chǔ)上新增設(shè)施，新增項(xiàng)目主要有道上供電系統(tǒng)、變電站所、發(fā)電廠站與管理控制中心。
在進(jìn)行建設(shè)成本比較時(shí)，不用考慮電氣化公路與既有高速公路完全相同的設(shè)施項(xiàng)目，如道路建設(shè)成本。其他電氣化公路與既有高速公路在設(shè)施方面的區(qū)別如表1所示。不論二者部分設(shè)施的有無，僅從二者間有區(qū)別的設(shè)施項(xiàng)目來看，它們之間的成本差別將體現(xiàn)在油價(jià)和電價(jià)上。所以在初期成本分析中，分項(xiàng)建設(shè)費(fèi)用可以不用考慮，可以認(rèn)為電氣化高速公路的電價(jià)能夠涵蓋其分項(xiàng)的設(shè)施成本，而當(dāng)前執(zhí)行的電價(jià)已經(jīng)包含了變電站、發(fā)電廠、供電系統(tǒng)和電力調(diào)度中心的管理費(fèi)用，因此在分析電氣化高速公路建設(shè)成本時(shí)應(yīng)該考慮的**有別于既有高速公路的設(shè)施項(xiàng)目是道上供電系統(tǒng)。該項(xiàng)可參照電氣化鐵路接觸網(wǎng)和無軌電車架空線網(wǎng)的建設(shè)費(fèi)用進(jìn)行估計(jì)。
道上供電系統(tǒng)的設(shè)施成本可作如下估計(jì)：
（1）單方向電氣化高速公路道上供電系統(tǒng)的電網(wǎng)功率等同于**鐵路單方向接觸網(wǎng)功率。鐵路列車的平均追蹤距離取10km，一個(gè)車列的功率取5 000 kw，則平均功率為500 kw/km。亦取該值為道上供電系統(tǒng)單方向的供電功率。
（2）可認(rèn)為鐵路接觸網(wǎng)的“網(wǎng)線塔架+承力索”的成本相當(dāng)于道上供電系統(tǒng)支架成本，由于道上供電系統(tǒng)增加了大量傳感器、供電節(jié)電力轉(zhuǎn)換部件，其總體成本高于鐵路接觸網(wǎng)，按高出一倍計(jì)算。普通鐵路接觸網(wǎng)建設(shè)成本為20~30萬元/km，取單方向道上供電系統(tǒng)的單位成本60萬元/km。投資回收期按10年計(jì)，車流量按300輛/h計(jì)，則分?jǐn)偟矫枯v車上的費(fèi)用為：
600 000(元/km)10(年)×300(天/年)×12(小時(shí)/天)×300(車/小時(shí)) =0.056(元/車km)即5.6元／車hkm，當(dāng)投資回收期按更長時(shí)間考慮且車流量更大時(shí)，分?jǐn)偟矫枯v車上百公里的供電系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用會(huì)更低。
2.2 傳統(tǒng)燃油汽車能源消耗
當(dāng)前部分車型汽車的耗油量如表2所示。下面舉例計(jì)算燃油汽車的能耗費(fèi)用，油料價(jià)格按8元／升計(jì)算。小客車以長城賽弗為例，100km的燃油費(fèi)用為12×8=96（元／hkm）。大客車以沃爾沃為例，100km的燃油費(fèi)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(fèi)用為50×8=400（元／hkm）。具體計(jì)算結(jié)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(jì)算該車型改裝成電力汽車后使用電網(wǎng)電力的能耗。電價(jià)按0.5元／kwh計(jì)，計(jì)算可得每100km的能耗成本如表4所示。
表4中的電動(dòng)機(jī)計(jì)算功率（kw）為保守值，實(shí)際工況下平均功率小于該值，因此所計(jì)算的費(fèi)用為保守估計(jì)值。
2.4電力汽車與燃油汽車運(yùn)行成本比較
從表3、表4的計(jì)算結(jié)果可知，在電氣化高速公路上行駛的電力汽車能耗費(fèi)用不超過普通燃油汽車能耗費(fèi)用的1/2。前面計(jì)算已知建設(shè)電氣化高速公路增加的道上供電系統(tǒng)的分?jǐn)傎M(fèi)用為5.6元／車hkm。因此，在考慮電氣化公路建設(shè)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(shè)成本的分?jǐn)?，仍然小于普通高速公路上燃油汽車運(yùn)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(dāng)采用“電網(wǎng)集電+儲能電池”模式時(shí)，只需要電動(dòng)機(jī)，省去了內(nèi)燃機(jī)，而且傳動(dòng)機(jī)構(gòu)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(wǎng)集電+燃油／燃?xì)狻钡碾p動(dòng)力模式，因?yàn)橛袃商讋?dòng)力系統(tǒng)，車輛制造成本則比單一動(dòng)力模式的汽車制造成本會(huì)提高。因此，從環(huán)保與經(jīng)濟(jì)角度考慮，“電網(wǎng)集電+儲能電池”是電力汽車合理的動(dòng)力模式。
3 結(jié) 語
電氣化公路的基本集電方式有頂部集電、側(cè)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(wǎng)，如果在道路上方普遍架線，將會(huì)形成線網(wǎng)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(tǒng)容易被埋沒和損壞。因此，側(cè)集電模式是*佳的集電方式。電力汽車的動(dòng)力組合，若采用燃油／燃?xì)饧与娋W(wǎng)集電，則需要兩套動(dòng)力裝置——內(nèi)燃機(jī)加電動(dòng)機(jī)，增加車輛的復(fù)雜性，而且燃油／燃?xì)膺€會(huì)有部分污染。因此，電氣化公路上行駛的電力汽車*好采用電網(wǎng)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(shè)施外，其他電氣化公路增加的供電系統(tǒng)建設(shè)成本都體現(xiàn)在電價(jià)中，因?yàn)楝F(xiàn)有的電價(jià)都已經(jīng)包含了電力線路、變電站所、發(fā)電廠站、調(diào)度中心等建設(shè)與運(yùn)行成本。計(jì)算表明，分?jǐn)偟矫枯v汽車每次出行過程的道上供電系統(tǒng)建設(shè)成本很小，考慮此項(xiàng)成本后的電力汽車運(yùn)行費(fèi)用仍將小于燃油汽車的二分之一。雖然電力汽車制造會(huì)增加集電裝置成本，但采用“電網(wǎng)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?cái)?shù)量很少，所以車輛（包含電池）成本也會(huì)小于攜帶儲能電池的純電動(dòng)汽車。
電力汽車在行駛過程中要接近道上供電系統(tǒng)才能集電行駛，不能有過大偏離，超車時(shí)要脫離電網(wǎng)，在方便性方面顯得不如獨(dú)立攜帶能源的汽車優(yōu)越。但集電狀態(tài)行駛的電力汽車運(yùn)行會(huì)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(shù)對接，電氣化公路將是無人駕駛汽車得以發(fā)展的平臺，兩項(xiàng)技術(shù)的結(jié)合將會(huì)對減少汽車傷亡事故發(fā)揮重要作用。
電力汽車的發(fā)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(dòng)汽車技術(shù)與高性能電池生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)可為發(fā)展電氣化公路提供充分的技術(shù)保障。同時(shí)，電力汽車也將把電動(dòng)汽車帶出寄希望于獨(dú)立攜帶電能運(yùn)行的誤區(qū)。
