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清华大学能源互联网研究院—绿色交通研究中心

1、技术背景


能源和环境问题是我国乃至全世界面临的共同问题,大力发展可再生能源,提高清洁能源占比,是解决能源和环境污染问题的重要途径之一。中国把能源革命列为重要的发展战略。2015年,交通燃油污染排放占全社会污染物排放的1/4。随着经济的发展,货运汽车使用量的增大将会带来巨大的燃油消耗,所以未来我国交通领域的节能减排成为全社会能源消费革命的重要组成部分。
近年来,随着中国高速公路的发展,我国的载货汽车以每年百万辆的速度持续增长,民用与营运货车数量都有大幅上升。此外,中国货运量和货物周转量也存在明显的不均衡性。



图1  1999—2015年中国高速公路里程变化(中国统计年鉴2017)



图2  1990—2015年中国民用货车与营运货车拥有量变化(中国统计年鉴2017)


考虑到节能减排需求,交通电气化成为未来的发展趋势。如今船舶、小型乘用车、飞机、轨道交通、高铁的电气化已经得到飞速发展,但是大型长途客车、中大型货车目前的电气化存在较大困难,主要在于无论是锂电池还是燃料电池,需要提供的功率太大。由于其连续运行时间长,所以对电池的储能量也有较高要求。所以目前仅仅在城市公交车、货运物流车等低速、短途运行的车辆上开始采用电驱动方案。
根据国内近几年交通事故的统计,货车责任道路交通事故占事故总量比例远高于货车保有量占汽车总量的比例。从全国范围看,当前公路货运驾驶员数量存在缺口,而无人驾驶、智能驾驶技术的发展可以在很大程度上解决这个问题。实现过程中须对卡车目前的柴油驱动、变速箱等进行改造升级,电驱动是一个非常理想的方案。


2、电气化卡车方案对比


电气化卡车的动力方案主要包括:蓄电池方案、氢燃料电池方案和混合动力方案。蓄电池方案是采用铅酸电池、锂电池等技术,通过充电机把电能充入电池,然后车辆携带电池运行。该方案的关键技术指标包括电池的能量密度、功率密度、充放电速度、寿命和成本等因素。由于卡车功率大,耗能多,其大规模充电也对服务区的容量和建设提出了很高的要求。
氢燃料电池具有清洁、氢能量密度高、加氢快等优势。但是由于氢并不是自然存在的能源方式,目前其来源主要有化工过程的副产品和电解氢两种,能源综合利用效率还不高。此外燃料电池系统复杂,关键材料成本较高,目前燃料电池的大规模普及仍然存在较大困难。
柴油、汽油是目前能量密度比较高的能源形式,匀速行驶效率较高,但在低速重载和加速过程中的效率大大降低,并且无法实现制动能量回收。混合动力技术可以实现比较好的燃油经济性,在不同工况下都能保持发动机的高效运行,在低速轻载区域可以通过电池驱动避免发动机的低效运行,所以货车的混合动力也成为一种比较具有竞争力的方案。


3. 电气化公路技术


电气化公路技术的实现方案如图3所示,高速公路或者专用道路上架设供电线路,混合动力卡车通过受电弓获得动力,沿线有新能源并网消纳。在公路出入口设有物流仓库、充电桩、加油站,卡车离开高速后可以通过燃油或者蓄电池提供动力继续运行。该方案可以将大功率集中式的充电功率等效分散到公路沿线,避免了大规模集中充电,同时节省了昂贵的电池费用。在道路上只是将最右侧车道改造为电气化供电行驶车道,不影响其他车辆通行,对交通影响较小。
目前,德国西门子已经研制了类似的电动卡车,并命名为“ E-Highway ”,在瑞典、德国和美国加州都开展了道路试验。国际能源署经过分析比较认为电气化公路是未来重载货运车辆电气化的首选方案(‘The Future of Trucks: Implications for Energy and the Environment’, IEA, 2017)。



图3  电气化公路的实现方案


在电气化公路实现方案中,卡车的动力部分可以选用混合动力方式,采用“内燃机/蓄电池”与接触网供电相结合方式。在接触网供电模式下,高架线路的直流电能过受电弓传递至卡车电驱动系统,驱动交流电动机。在卡车与接触网线路断开时,可以通过少量储能电池或者切换到内燃机模式保证运行的连续性。在高速公路或者专用公路口设置加油站、充电站/换电站,为卡车提供动力支持。也可以在高速公路口进行卡车牵引车更换,由其他牵引车托载挂车继续运行。从车辆角度,用电成本要远低于燃油成本,既减少了碳和污染物排放,也节省了车辆运行的成本。



图4  混合动力车的并联式运行模式


供电线路建设部分,在公路两侧,通过架空线或者地下电缆,铺设35kV或者10kV输电线路,根据线路损耗计算,每隔5~10km设置一个变电站,把中高压交流电变为750V和1500V直流电。卡车通过受电弓从线路上获得电能给驱动系统供电。
受电弓及计费部分,采用双弓受电,可以自动识别车辆位置和架空线位置,同时根据受电弓的磨损情况,自动调整受电弓的偏移和高度,保证摩擦均匀、接触良好。在车辆偏移车道、超车、进出服务区等情况下,受电弓进行升弓和降弓的操作,并对车辆的动力系统进行切换。采用电气化公路技术后,可以依托高速公路网和供电线路,在公路沿线消纳当地新能源发电,如光伏、风电等,既可以提高新能源发电的消纳能力,又避免了远距离输电。


4. 项目实施方案


随着无线充电技术和储能技术的发展,道路无线充电、快速加氢站以及大容量快速充电站等都会成为现实,对于车辆来说仅仅是把受电弓改为无线受电装置或者燃料电池,公路沿线输变电设备可以作为无线充电线圈和充电站的供电电源。因此电气化公路的基础建设和车辆研发可以作为未来新技术应用的一个重要基础。电气化公路的推广方案如图5所示。



图5电气化公路推广方案


5. 结语


 目前,电气化与智能化成为未来交通系统的发展趋势,能源的绿色与高效利用是人类追求的目标。随着货运及公路运输的不断发展,公路的电气化成为一个重要的变革领域,电气化公路技术提高了运行的安全性,降低了能源利用效率与运营成本,进一步推动了可再生能源的就地消纳与公路系统的信息化、智能化运行。此外,架线式供电方案也为公路供能系统的进一步拓展提供了多种可能性。


作者:


刘昊,男,硕士研究生,主要研究方向为交通能源互联网,直流变压器,能源路由器等。
郑泽东,清华大学副教授,博士生导师,现任清华大学电机系党委副书记,清华大学能源互联网创新研究院绿色交通研究中心副主任,中达青年学者。主要从事高性能交流电机控制、电力电子变压器、轨道交通牵引及供电技术、船舶电力推进等方面的研究。