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(guó)、各界人士高度關(guān)注。在公路交通領(lǐng)域，汽車(chē)生產(chǎn)與普及的進(jìn)程在不斷加速，確實(shí)給人們帶來(lái)了便捷，但快速的期待總被無(wú)情的堵車(chē)打碎。更富有諷刺性的，也更嚴(yán)峻的現(xiàn)實(shí)是，汽車(chē)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(guò)去十多年中，我國(guó)政府、專(zhuān)家界和產(chǎn)業(yè)界寄希望于電動(dòng)汽車(chē)，投入了大量資金、財(cái)力和人力扶持發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)。然而電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程不長(zhǎng)，電池儲(chǔ)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(wèn)題未見(jiàn)有實(shí)質(zhì)性的解決。如今的現(xiàn)狀是，電動(dòng)汽車(chē)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(chē)技術(shù)不夠好，也不是各界對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的重視與投入不足。問(wèn)題的關(guān)鍵是，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的技術(shù)路線(xiàn)在認(rèn)識(shí)上出現(xiàn)了偏差，不適當(dāng)?shù)剡^(guò)高估計(jì)了電池的潛力。如果轉(zhuǎn)變思路，把儲(chǔ)能電池作為輔助動(dòng)力源，把電網(wǎng)電力作為主要?jiǎng)恿Γㄔ祀姎饣?，開(kāi)行電力汽車(chē)，則可能開(kāi)創(chuàng)便捷、節(jié)能且清潔環(huán)保的汽車(chē)新時(shí)代。劉本林、趙潤(rùn)生、周良勇等人分別于1995和2009年申請(qǐng)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(rùn)松、李善伯、張鐵忠等人于1994和2002年申請(qǐng)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(qǐng)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(duì)電氣化公路進(jìn)行了定義，提出“電力汽車(chē)”概念；對(duì)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(chē)與電力汽車(chē)的運(yùn)行費(fèi)用，得出電力汽車(chē)運(yùn)行成本小于燃油汽車(chē)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(chē)輛在行駛過(guò)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(chē)輛提供不間斷電力。為了跟獨(dú)立攜帶能源的燃油車(chē)輛或電動(dòng)汽車(chē)相區(qū)別，我們把這種具有從電網(wǎng)集電功能的車(chē)輛稱(chēng)為電力汽車(chē)。

跟早期無(wú)軌電車(chē)*大的區(qū)別是，電力汽車(chē)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(chē)時(shí)，在無(wú)供電系統(tǒng)的行車(chē)道上行駛時(shí)，或者離開(kāi)電氣化公路時(shí)，就需要通過(guò)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(chē)或電動(dòng)汽車(chē)的狀態(tài)相同。因此電力汽車(chē)必然是一種“雙能源”汽車(chē)，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(chē)的機(jī)動(dòng)性能、靈活性，跟燃油汽車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)接近，將彌補(bǔ)無(wú)軌電車(chē)不能離開(kāi)供電線(xiàn)路運(yùn)行的缺陷。

跟電動(dòng)汽車(chē)的區(qū)別是，電力汽車(chē)可以直接利用電網(wǎng)電力驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，減少蓄能轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，提高電能利用效率。電力汽車(chē)可以不停車(chē)為儲(chǔ)能電池充電，省去電動(dòng)汽車(chē)必須停車(chē)充電的不便。由于能夠不停車(chē)充電，也不用停車(chē)加油，電力汽車(chē)的理論續(xù)航里程為無(wú)限長(zhǎng)。嚴(yán)格地說(shuō)，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(chē)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(chē)使用起來(lái)不僅比電動(dòng)汽車(chē)方便，也比燃油汽車(chē)方便；既無(wú)需經(jīng)常停車(chē)充電，也無(wú)需頻繁為油箱加油。

1.2 電力汽車(chē)的動(dòng)力組合模式

電力汽車(chē)可能的多動(dòng)力組合模式有以下幾種：電網(wǎng)集電+儲(chǔ)能電池。即在非集電狀態(tài)下（離網(wǎng)運(yùn)行），由儲(chǔ)能電池提供動(dòng)力，這種電力汽車(chē)只需要電動(dòng)機(jī)，不需要內(nèi)燃機(jī)，車(chē)輛傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單?？梢酝＼?chē)充電，也可在行駛過(guò)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(chē)也只需電動(dòng)機(jī)，車(chē)輛傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(chē)不僅需要電動(dòng)機(jī)，同時(shí)需要配備內(nèi)燃機(jī)，車(chē)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(chē)，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(chē)也需要電動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)兩套動(dòng)力系統(tǒng)，車(chē)輛動(dòng)力結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。這種模式的電力汽車(chē)則要經(jīng)常前往加氣站加注燃?xì)?。電網(wǎng)集電+電池+燃油／燃?xì)?。這種電力汽車(chē)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(chē)輛傳動(dòng)系相連驅(qū)動(dòng)車(chē)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(chē)輛行駛，或者為蓄電池充電。

1.3 電力汽車(chē)集電方案

電力汽車(chē)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(xiàn)網(wǎng)，在車(chē)頂安裝集電器。傳統(tǒng)的無(wú)軌電車(chē)就是采用這種架空線(xiàn)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(xiàn)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(chē)得到較大的偏線(xiàn)

距離，對(duì)車(chē)輛沿線(xiàn)行駛的精度要求低。缺點(diǎn)是架空線(xiàn)網(wǎng)高度大，只適合車(chē)身較高的車(chē)輛從電網(wǎng)集電行駛，如大型客車(chē)、公交車(chē)輛和大型貨車(chē)，不適用于

車(chē)身較低的小型車(chē)輛，如小轎車(chē)、小型貨車(chē)等，因而應(yīng)用范圍受到限制；架空線(xiàn)網(wǎng)對(duì)道路上方空間形成屏障，會(huì)影響超高車(chē)輛通行，形成安全隱患，還

會(huì)影響景觀(guān)。

（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(chē)的集電桿從車(chē)輛側(cè)面伸出，通過(guò)集電刷從電網(wǎng)取電（如圖2所示）。優(yōu)點(diǎn)是電力網(wǎng)線(xiàn)（道上供電系統(tǒng)）布置在道路側(cè)面，不占用線(xiàn)路上方空間，不影響景觀(guān)，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(chē)輛從電網(wǎng)取電，普及性好。缺點(diǎn)是對(duì)電力汽車(chē)沿線(xiàn)行駛的精度要求高，即車(chē)輛在集電行駛過(guò)程中必須與道上供電裝置保持適當(dāng)距離，不能有過(guò)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(guò)大，否則無(wú)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(chē)集電桿從車(chē)輛下面伸出與地面線(xiàn)網(wǎng)接觸取電。優(yōu)點(diǎn)是對(duì)集電器的定位精度要求低，也允許車(chē)輛行駛過(guò)程中發(fā)生較大偏離，適合各種車(chē)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(chē)輛及重物損壞，很容易被灰塵、雨雪、異物埋沒(méi)。

2 電氣化公路與電力汽車(chē)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(guò)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(chǎng)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(wú)，僅從二者間有區(qū)別的設(shè)施項(xiàng)目來(lái)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(chǎng)、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(wú)軌電車(chē)架空線(xiàn)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(chē)的平均追蹤距離取10km，一個(gè)車(chē)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(xiàn)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(wàn)元/km，取單方向道上供電系統(tǒng)的單位成本60萬(wàn)元/km。投資回收期按10年計(jì)，車(chē)流量按300輛/h計(jì)，則分?jǐn)偟矫枯v車(chē)上的費(fèi)用為：

600 000(元/km)10(年)×300(天/年)×12(小時(shí)/天)×300(車(chē)/小時(shí)) =0.056(元/車(chē)km)即5.6元／車(chē)hkm，當(dāng)投資回收期按更長(zhǎng)時(shí)間考慮且車(chē)流量更大時(shí)，分?jǐn)偟矫枯v車(chē)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(chē)能源消耗

當(dāng)前部分車(chē)型汽車(chē)的耗油量如表2所示。下面舉例計(jì)算燃油汽車(chē)的能耗費(fèi)用，油料價(jià)格按8元／升計(jì)算。小客車(chē)以長(zhǎng)城賽弗為例，100km的燃油費(fèi)用為12×8=96（元／hkm）。大客車(chē)以沃爾沃為例，100km的燃油費(fèi)用為26×8=208（元／hkm）。大貨車(chē)取歐曼牽引車(chē)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(chē)能源消耗

仍然以長(zhǎng)城賽弗越野車(chē)、沃爾沃大客車(chē)和歐曼牽引車(chē)為例，計(jì)算該車(chē)型改裝成電力汽車(chē)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(chē)與燃油汽車(chē)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(chē)能耗費(fèi)用不超過(guò)普通燃油汽車(chē)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(chē)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(chē)在電氣化高速公路上行駛的能耗加上建設(shè)成本的分?jǐn)偅匀恍∮谄胀ǜ咚俟飞先加推?chē)運(yùn)行成本的一半。

至于電力汽車(chē)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(chǔ)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(jiǎn)化，因而汽車(chē)制造成本可以比燃油汽車(chē)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(chē)輛制造成本則比單一動(dòng)力模式的汽車(chē)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(chǔ)能電池”是電力汽車(chē)合理的動(dòng)力模式。

3 結(jié) 語(yǔ)

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(lèi)似于無(wú)軌電車(chē)，需要布置架空線(xiàn)網(wǎng)，如果在道路上方普遍架線(xiàn)，將會(huì)形成線(xiàn)網(wǎng)橫空密布的局面，從安全性、便捷性和景觀(guān)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(méi)和損壞。因此，側(cè)集電模式是*佳的集電方式。電力汽車(chē)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(chē)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(chē)*好采用電網(wǎng)集電加儲(chǔ)能電池模式，這將是一種沒(méi)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(xiàn)路、變電站所、發(fā)電廠(chǎng)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(chē)每次出行過(guò)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(chē)運(yùn)行費(fèi)用仍將小于燃油汽車(chē)的二分之一。雖然電力汽車(chē)制造會(huì)增加集電裝置成本，但采用“電網(wǎng)集電+儲(chǔ)能電池”模式的電力汽車(chē)制造成本將低于燃油汽車(chē)制造成本。由于需要的電池?cái)?shù)量很少，所以車(chē)輛（包含電池）成本也會(huì)小于攜帶儲(chǔ)能電池的純電動(dòng)汽車(chē)。

電力汽車(chē)在行駛過(guò)程中要接近道上供電系統(tǒng)才能集電行駛，不能有過(guò)大偏離，超車(chē)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(chē)優(yōu)越。但集電狀態(tài)行駛的電力汽車(chē)運(yùn)行會(huì)更有序，減少超車(chē)變道頻率，對(duì)提高公路交通安全性大有益處。

另外，電力汽車(chē)很容易跟無(wú)人駕駛汽車(chē)技術(shù)對(duì)接，電氣化公路將是無(wú)人駕駛汽車(chē)得以發(fā)展的平臺(tái)，兩項(xiàng)技術(shù)的結(jié)合將會(huì)對(duì)減少汽車(chē)傷亡事故發(fā)揮重要作用。

電力汽車(chē)的發(fā)展離不開(kāi)性能良好的儲(chǔ)能電池，因此，過(guò)去幾十年來(lái)積累電動(dòng)汽車(chē)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(chē)也將把電動(dòng)汽車(chē)帶出寄希望于獨(dú)立攜帶電能運(yùn)行的誤區(qū)。