电气化公路技术进展及在中国应用的可行性分析

黄少雄，蒋海峰，杨文银，刘志强，袁旻忞

(1.广东省仁博高速管理中心仁新管理处，广东 韶关 512600；2.交通运输部公路科学研究院，北京 100088； 3.交通运输部规划研究院，北京 100028；4.公路交通环境保护技术交通行业重点实验室，北京 100088)

0 引言

应对气候变化和降低汽车尤其是重型柴油货运车辆的污染物排放对世界各国来说都是一个重大的挑战。《中国机动车环境管理年报2018年度报告》数据显示：占汽车保有量3.4%的重型柴油货车和大型客车(84万辆和617万辆)的尾气污染物排放分别占全部汽车CO、HC、NOx和PM总排放的25.7%，32.0%，70.8%和75.2%，如图1、图2所示，表明总量占比不大的柴油货车反而是公路交通运输领域污染物排放的主要来源之一[1-2]。近年来，世界各国非常重视电动汽车的推广应用。例如，德国、英国和法国等欧洲国家分别宣布到2030年和2040年开始禁售新的汽油和柴油车。 2018年6月中央发布了《关于全面加强生态环境保护坚决打好污染防治攻坚战的意见》，对交通运输行业柴油货车污染治理提出了更高要求[3-4]。重型柴油货车电动化虽然被认为是降低车辆尾气污染物排放的一个重要手段，其主要技术瓶颈是如何降低车载储能设备的体积和重量。按照现有车载蓄电池一次储能动力计算，一辆载重49 t的六轴货车若连续行驶500 km，约需配备重达8 t以上的车载蓄电池组，且需要提供足够大的安装空间，这在很大程度上制约了重型柴油货车电动化的推广应用。

图1 中国车辆构成与污染物排放比例统计Fig.1 Statistics of vehicle composition and pollutant emission proportion in China

图2 重型柴油货车和大型客车污染物排放比例Fig.2 Proportion of pollutant emissions from heavy diesel trucks and large buses

蓄电池储能技术瓶颈若在短时间内难以取得革命性突破，而电气化公路运输技术则为重型货车电动化提供了一个现实可行的技术途径。通过在行驶中的重型电动货车实时供电(充电)驱动，一方面可增大续航里程，满足长距离行驶需求，另一方面可显著降低车载电池组重量和安装空间需求。实时充电也满足汽车超车和驶离电气化公路后的短途行驶需要，从而从根本上改变了重型柴油货车能源消耗结构，大幅减少重型柴油货车尾气污染物排放，为公路交通运输行业打赢柴油车辆污染防治攻坚战提供了一种全新的技术思路[5-6]。

1 电气化公路技术类型

电气化公路(Electric Highway，简称eHighway)的概念最早由德国西门子公司于2010年提出[7-8]。2019年5月研究组主要成员赴德国法兰克福和瑞典参加了第三届国际电气化公路技术交流会，并对两种不同技术类型的电气化公路技术和试验测试路段进行了考察交流。从目前开展的电气化公路技术和试验测试路段来看，可分为在公路上空架线式和在路面上嵌入轨道式两种电气化公路技术类型，如图3所示。

图3 德国空中架线式电气化公路和瑞典路面轨道式电气化公路Fig.3 German aerial wired electrified highway and Swedish road track electrified highway

1.1 德国空中架线式电气化公路

德国环保部为应对气候变化，降低德国及其国内过境货运车辆的碳排放发起了一项柴油货车清洁能源化计划，于2010年率先提出了空中架线式电气化公路技术方案。德国空中架线式电气化公路系统主要包括供电线路、电动牵引卡车及车载智能受电弓控制系统3部分，如图4所示。空中架线式电气化公路核心是将车载智能受电弓与混合动力驱动系统结合使用，供电线路架设在公路上空，为在该路段行驶的装配有车载受电弓装置的重型混合动力货运车辆进行动态供(充)电的一种技术。接触网系统的核心是将智能受电弓与混合动力驱动系统结合使用，配备车载智能受电弓控制系统的混合动力电动货车在行驶时可以从公路上空架设供电线路上获得动力，支持其高效行驶，同时实现零排放。在没有配备供电网设施的公路上，车辆可自动调节到混合动力系统行驶[9-11]。

图4 德国空中架线式电气化公路技术原理Fig.4 Technical principle of German aerial wired electrified highway

图5 德国Gävle空中架线式电气化公路测试路段Fig.5 The test sections of overhead electrified road in gross Gävle

图6 美国加利福尼亚空中架线式电气化公路 试验测试路段(1.6 km)Fig.6 Test section of aerial wired electrified highway in California, USA (1.6 km)

从2010年开始，德国西门子公司在德国环保部、瑞典交通署和美国加利福尼亚交通运输管理部门资助下先后在德国、瑞典、美国开展了3个电气化公路路段的试验和测试工作，如图5和图6所示。德国环保部出资委托西门子公司、卡梅隆大学以及卡车生产企业等单位联合开展研发和试验测试。西门子公司联合瑞典SCANIA卡车制造公司联合开发了受电弓控制系统。瑞典SCANIA卡车制造公司研发生产了专门用于电气化公路的混合动力电动牵引卡车，并联合西门子和研究机构联合开展了测试和功能验证，主要测试内容包括：

图7 瑞典路面轨道式电气化公路技术原理Fig.7 Technical principle of Swedish road track electrified highway

(1)电气化公路供电网系统设计、供电电压类型选择、电压电流稳定性测试分析。德国电气化公路供电网设置高度6 m左右，满足几乎所有常规高度车辆行驶。供电线路采用的是比较成熟的标准化670 V DC直流供电方式。路侧沿线设置箱式变电站，箱式变电站一般接入城镇35 kV或10 kV电网，通过整流、变压成670 V DC直流电后，输送至供电接触网。箱式变电站可根据城市电网电压等级和电气化公路充电货运车辆的需求，对其容量进行有针对性的设计和配置变压器容量。与轨道交通列车启动制动带来的牵引网兆瓦级的波动相比，长途货运卡车因为大部分时间内处于匀速行驶状态，负荷具有较好的可预测性，电网可以通过负荷预测进行合理调度。

(2)电气化公路沿线电动货车充电需求与变配电站容量设计。目前德国测试用电动货运车辆采用的是瑞典某卡车公司生产的油电混合动力车型(hybrid)，其驱动系统采用柴油发动机和电动机混合驱动，试验测试阶段用电的牵引车配置的驱动电机功率为130 kW，配有10 kW·h左右的车载蓄电池组，纯电续驶里程15 km左右。

(3)电动货车车载受电弓控制系统充电效率、在线升降控制以及电气安全性测试。目前德国西门子试验测试的车载受电弓控制装置最高允许车速为90 km/h，已经完成了三代受电弓控制装置的试验更新和轻型化。

(4)电气化公路运输成本与降低柴油货车尾气污染物和环保效益评估分析。目前德国国内大学相关研究机构针对燃油货车和混合动力的电动货车运输成本进行了比较分析，同时开展了电气化公路在降低柴油货车尾气污染物和环保效益的评估工作。

1.2 瑞典路面轨道式电气化公路

瑞典路面轨道式电气化公路技术是通过在公路路面上挖槽内嵌安装由沥青砂胶、耐磨钢、电气绝缘层、导电极等部件组成的供电轨道，如图7所示。在电动货车牵引车辆的底盘上安置一根能够灵活升降(允许左右摆动幅度1.2 m左右)的充电连接臂。当电动车辆行驶在充电轨道上方需要充电时，连接臂放下，并自动寻找轨道与其连接，实现外部电力直接驱动，或者为车载蓄电池组充电。

2015年由瑞典交通署资助，由瑞典国家道路与交通研究所(VTI)牵头负责开展轨道式电气化公路的研究开发工作。瑞典DAF卡车制造公司研发生产了专门用于瑞典轨道式电气化公路的混合动力电动牵引卡车。瑞典VTI也开展了轨道供电系统设计论证、供电网电压电流选型、配电网容量设计、配电网安全性和稳定性设计以及分段容量设计等工作。

2017年和2018年，瑞典分别在林雪平郊区和斯德哥尔摩城外开通了1.5 km和2 km的路面嵌入供电轨道式的电气化公路试验路段，进行系统化试验测试和分析工作。瑞典地面轨道式电气化公路的工作电压800 V，最大电流250 A，最大功率/公里10 MW。地面轨道50 m为一段，分段铺设和供电，每公里设置一个分变压站将电压从20 kV将至800 V，每个变电站为20个轨道段(50 m/段)供电。

图8 瑞典路面轨道式电气化公路试验测试路段Fig.8 Test section of Swedish road track electrified highway

公路空中架线式电气化公路分别在德国、瑞典、美国等国家开展了不同环境区域的多个试验路段的功能性验证测试工作。供电网设置、受电弓控制技术以及电气化牵引车辆生产相关技术基本成熟。空中架线式电气化公路建设不需要路面占道施工，也不需要中断交通，对原有公路正常交通影响小，是目前各国优先选择的试点路段建设方案。2019年德国环保部在法兰克福主要的货运公路上投资建设了50 km的电气化公路示范路段。意大利、印度等国也准备建设试验路段。

2 我国建设电气化公路的必要性分析

2.1 应对柴油货车污染物挑战的战略选择

交通运输部《2017年交通运输行业发展统计公报》数据表明：2012年至2017年，我国柴油货车及其柴油消耗量仍呈上升态势，全国柴油货车保有量年均增长3.4%，柴油消费年均增长1.05%(从15 622.6万t增加到16 604.0万t)。预计这种态势短时期内难以改变[12]。因此，柴油货车尾气污染物防治任务艰巨、形势严峻。建设电气化公路运输系统，将使大型车辆由柴油驱动改变为电力驱动，可从源头上解决柴油汽车尾气污染物排放问题。

2.2 落实打好污染防治攻坚战重大部署的新举措

污染防治攻坚战是党的十九大部署的“三大攻坚战”之一。2018年6月，中共中央、国务院发布《关于全面加强生态环境保护坚决打好污染防治攻坚战的意见》(中发〔2018〕17号)，明确提出打好柴油货车污染治理攻坚战，鼓励清洁能源车辆推广使用，实施打赢蓝天保卫战3年作战计划[13]。2018年7月，交通运输部发布《关于全面加强生态环境保护坚决打好污染防治攻坚战的实施意见》(交规划发〔2018〕81号)，明确重点加强柴油货车、船舶、港口和交通路域等污染防治工作，要求打好柴油货车等污染防治攻坚战，积极推进交通运输生态文明建设。该意见中提到的柴油货车污染治理措施仍集中在传统手段上，缺乏颠覆性的技术和突破性的变革，难以从根本上解决问题。尽快试验、应用电气化公路运输系统这一可使车辆尾气污染物“零排放”的新技术，对打好柴油货车污染治理攻坚战意义重大。同时建设电气化公路，能够促进道路运输能源消费调整，对我国能源结构产生积极影响，还能为智慧公路发展提供充足的电力保障。

2.3 顺应大型车辆电动化发展趋向的一种现实技术途径

大型车辆(尤其是重型货车)电动化是降低车辆尾气污染物排放的一个重要技术手段。目前，世界各国都在不同程度地推动大型货车电动化和清洁能源化。大型车辆电动化主要技术瓶颈是如何降低车载储能设备的体积和重量。电气化公路运输技术则为大型车辆电动化提供了一个现实可行的技术途径，通过为在行驶中的大型车辆直接供电(充电)驱动的方法，一方面可增大续驶里程，满足长距离行驶需求；另一方面可显著降低车载电池组重量和安装空间需求并实时充电，满足汽车超车和驶离电气化公路后的短途行驶需要[14-15]。

3 我国建设电气化公路可行性与成本分析

空中架线式电气化公路运输系统主要包括公路上空的供电网，电气化公路上行驶的混合动力电动货车车辆，和混合动力电动货车车辆车载受电弓控制装置3个部分。

3.1 空中架线式供电网技术

架设在公路上空的供电线网，与城市无轨电车和电气化列车上空的供电线路类似。德国西门子目前试验测试的供电线网采用的是600～750 V DC直流供电方式，技术成熟度高。我国已在城市公交和电气化铁路大规模建设类似的供电网线路，该技术比较成熟，且公路上方供电线网的建设对正常通行影响较小。

3.2 混合动力货车车辆技术

电动车辆可通过新牵引车制造和旧牵引车改装两种途径解决。牵引车可采用油电混合动力系统或者纯电动动力系统，在驶离电气化公路后采用柴油动力或蓄电池模式驱动。目前我国油电混合动力和纯电动牵引车制造(改造)技术比较成熟。将类似电动化技术应用到货运车辆技术可行性比较高。

3.3 车载受电弓控制技术

车载受电弓控制装置是电气化公路运输系统的核心装置，安装在混合动力电动货车牵引车上方，在一定车速条件下司机可通过控制受电弓升降与公路上空供电线网连接或断开。目前西门子试验测试的车载受电弓控制装置最高允许车速为90 km/h。我国高速铁路牵引车辆受电弓供电控制技术采用的也是类似技术，该技术较为成熟，我国具备自主研制车载受电弓控制装置的能力。

3.4 电气化公路设施建设成本

电气化公路运输系统建设主要成本分为两部分：一是公路上空架设的供电线路及其路侧供配电设施建设成本，二是安装受电弓控制系统的电动(或油电混合)车辆的新增成本。

(1) 电气化公路供配电设施建设成本分析。按照国内现有材料、部件、人工成本等估算，电气化公路运输系统供配电设施新建成本约850万元/km，具体测算结果见表1。西门子公司目前开展的3条试验路段供电线路建造成本约为200万欧元/km(约1 500 万元/km)。电气化公路系统供配电设施属于公路沿线交通工程设施的一部分，可由电网公司或者高速公路公司出资建设，并通过收取供电服务费收回建设成本并取得合理回报，还可通过碳交易获得收益。

(2)电动车辆及车载受电弓成本分析。针对电动车辆制造的费用主要有两种：一是新车制造，二是旧车改装。根据调研，受电弓与电动车辆费用估算如下：西门子目前的车载受电弓控制装置改装费用约为5万欧元/套(约35万元/套)。也就是说，现阶段利用现有大型车辆改装费用约为35万元/辆。

表1 电气化公路运输系统供配电设施建设成本估算Tab.1 Estimation of construction cost of power supply and distribution facilities for electrified highway transport system

国内货运车辆电动牵引车还没有规模化生产，目前价格一般在70万元/辆(不含新能源补贴)。现阶段若新制造一辆具备车载受电弓控制装置的电动牵引车费用约为105万元/辆。后期随着推广应用和规模化生产，集成车载受电弓控制装置的电动货运牵引车的制造成本会大幅度降低。混合动力电动货运牵引车新车购置费用可由运输企业负担，因为运输企业通过使用电气化公路可以降低运输成本、取得额外经济效益。推广初期，政府部门可通过新能源车辆补贴等政策鼓励旧车改装、新车制造，通过提高排放标准等促进大型车辆电动化的改装、生产和使用。

4 电气化公路运输成本分析

(1)仅考虑能源消耗成本，电气化公路汽车运输成本比柴油和蓄电池汽车分别降低53%和55%。在不考虑供配电设施建设成本、购车新增费用和车辆折旧条件下，电气化公路车辆、传统柴油车辆和蓄电池车辆的运输成本对比分析如表2所示。表2中电气化公路车辆的额定载质量取柴油车和蓄电池车均值9.5 t，原因是电气化公路车辆相比柴油车增加了少量电池及电力驱动系统，相比蓄电池车大幅减少电池重量，在总质量一定的前提下，其载质量介于柴油车和蓄电池车辆之间。

表2中电气化公路车辆的满载百公里能耗按蓄电池车能耗的95%取值，因为相比蓄电池汽车，电气化公路车辆直接以高压强电驱动行驶，减少了电能储存步骤。按照当前行业水平，动力电池的综合充电效率约为95%，且电气化公路车辆的驱动方式与蓄电池车基本一致，其内部电能转化效率一致。

表2 三种车辆运输成本对比Tab.2 Comparison of transport costs of 3 vehicle types

注：1.传统柴油车辆总质量、额定载质量数据取自中华人民共和国工业和信息化部《道路机动车辆生产企业及产品公告》，满载百公里能耗取自交通运输行业标准JT/T 719对18 t车辆第四阶段油耗限值规定；2.蓄电池车辆总质量、额定载质量和电池容量相关数据取中华人民共和国工业和信息化部《新能源汽车推荐目录》，油/电费用取自当前行业平均充电价格。

表2中电气化公路车辆的电费取当前工业用电峰值电价，暂未计算充电服务费。从表2可知，在百公里燃料成本方面，传统柴油车辆约为158元，蓄电池车辆约为150元，电气化公路车辆百公里能耗成本最低，约为71元，比传统柴油车辆和蓄电池车辆分别降低55%和53%；按百吨公里能耗成本计，柴油车辆约为15.8元，蓄电池车辆约为16.67元，电气化公路车辆运输成本仍为最低，约为7.47元，比传统柴油车辆和蓄电池车辆分别降低53%和55%。

(2)考虑受电弓及供配电设施综合成本，电气化公路车辆运输成本比传统柴油车辆和蓄电池车辆分别降低32%和28%。

①车载受电弓成本。德国西门子车载受电弓目前的加装费用约为5万欧元/套(约35万元/套)。按使用年限8年，月均行驶里程15 000 km计算，车载受电弓的百公里成本为：35万元/144万km=24元/100 km。

②供配电设施成本。公路电气化供配电设施建设成本约850万元/km，按运营年限25年，路段车流量7 800辆/天，25年共计通过车辆数25年×365天×7 800辆/天=7 117.5万辆。故供配电设施建设成本折合到每辆车上为11.9元/100 km。电气化公路车辆百公里电耗为71.3 kW·h，将供配电设施建设成本折合到运营时的电力服务费上，则为11.9/71.3=0.17元/kW·h。

由表3可知，电气化公路供配电设施费用折合为电力服务价格仅为0.17元/kW·h，远小于现阶段蓄电池车辆0.8元/kW·h的充电服务费价格。综合车载受电弓以及供配电设施建设费用，电气化公路车辆百公里成本为：71.3元(能耗成本部分)+24元(车载受电弓成本部分)+11.9元(供配电设施成本部分)=107.2元，较仅考虑电耗成本时增加了50%，但仍低于传统柴油车辆以及蓄电池车辆的运输成本。郑泽东副教授认为在85 km/h的速度条件下，将燃油驱动更改为电驱动后，运营成本会大大降低，该重卡若一年行驶20万km，运营成本可以节省约18.8万元[14-16]。

表3 考虑车载受电弓及供配电设施时三种车辆运输成本对比Tab.3 Comparison of transport costs of 3 vehicle types considering on-board pantograph and power supply and distribution facilities

注：括号内为考虑车载受电弓以及供配电设施建设费用百公里能耗成本。

5 我国建设电气化公路的优势分析

5.1 技术优势

我国具有大规模电气化铁路建设和运营管理经验，具备自主制造电气化公路运输系统受电弓控制装置的能力。从技术成熟度、可靠性和国外试验路段实施效果来看，我国具备建设电气化公路运输试验段的基本条件。此外，在现有公路上架设电气化公路运输系统供配电设施，施工中无需完全阻断交通，对社会负面影响较小，有利于工程实施。

5.2 体制优势

从我国落实重大基础设施建设管理体制机制来看，相比欧美等国，我国善于集中力量办大事，在技术集成创新、示范应用、投资建设和政策实施方面具有欧美等国无法比拟的体制优势，工程项目具有决策周期短、施工快的特点，使我们完全有能力率先在一个较短时期内建成一定规模的电气化公路运输系统，成为又一个“世界第一”，成为我国交通强国的又一标杆。

5.3 可利用市场化手段解决建设成本优势

由表2和表3测算可知，仅考虑能耗成本，电气化公路车辆运输成本比传统柴油和蓄电池车辆分别降低53%和55%；考虑车载受电弓及供配电设施综合成本，电气化公路车辆运输成本比传统柴油和蓄电池车辆分别降低32%和28%。因此，企业有动力参与投资和建设电气化公路运输系统，推进电气化公路运输系统商业化具备市场条件。随着规模化发展，电气化公路运输系统运输成本尤其是车载受电弓生产成本还会大幅降低。

6 电气化公路建设适用场景与污染物减排贡献分析

6.1 电气化公路建设适用场景

当前，交通运输行业正在加快推进综合交通运输体系建设，优化交通运输结构，统筹各种运输方式协同融合发展，全面提升综合运输服务能力水平。经济持续发展促使我国物流货运规模逐年增加，长途大宗物资“公转铁”、“公转水”，使得重卡短驳货运应用场景需求爆发，这些短驳货运道路连接货运场站和铁路码头，路线相对固定，货运车辆相对密集，且大都是中短途重载运输[17-18]。因此，比较适合建设电气化公路示范段，适用场景归纳如下：

(1)疏港公路。可选择重型货车交通量大、尾气排放污染严重的港口到铁路货运站、物流场站的疏港货运集散通道进行建设试验。

(2)煤运通道。以中短途货运为主，具有重载、运量大等特点。可选择连接煤矿与铁路货运站、港口码头、火力电厂和物流场站等以煤炭运输为主的公路进行建设试验。

(3)货运通道。在污染防治减排压力大的京津冀、长三角和珠三角等经济发达地区，选择重型货车流量大的高速公路外侧行车道进行建设试验，支撑城市绿色货运车辆可持续发展。

(4)客运班线密集路段。可选择大城市群集聚区域的客运班线密集公路进行建设试验，电气化公路技术也适用于大型客运柴油车辆。

6.2 污染物减排贡献预测分析

选取近3年大型车辆流量较大的国道和高速公路1，5万km和10万km的路段进行测算分析。依据选取2017年统计较繁忙路段的大型运输车流量，测算应用电气化公路运输系统后每年NOx和PM2.5污染物减排效果，见表4。

表4 电气化公路减排贡献预测分析Tab.4 Prediction and analysis of contribution of electric highway to emission reduction

注：1. 以上路段和区域路网大型车辆近三年年均交通量来源《2015国家干线公路交通情况分析报告》，《2016国家干线公路交通情况分析报告》和《2017国家干线公路交通情况分析报告》；2.2017年 较繁忙路段长度、车型比例和交通量来源《2017年国家干线公路交通量手册》和《2017国家干线公路交通情况分析报告》；3.测 算以满载≥18 t货车和大型客车为例，行驶速度按80 km/h计，日均行驶里程按500 km计，车辆尾气排放依据《城市机动车排放空气污染测算方法》(HJ/T180—2005)中对应车型进行测算。表4预测分析结果可看出，电气化公路运输规模化建成使用，能从根本降低柴油车辆尾气污染物排放，助力我国污染防治攻坚战和国家打赢蓝天保卫战。

7 结论

随着我国经济发展和公路网里程结构的日益增长和完善，公路货运需求不断增长的同时，公路货运能耗也不断增加，在公转铁运输没有覆盖的公路短途货运比较密集的疏港公路路段、煤运通道路段、货运通道路段和客运班线密集的大型柴油客货运车辆路段，建设电气化公路运输系统，可从根本上支撑交通运输行业打好柴油货车等污染防治攻坚战，支撑我国公路柴油大型货运车辆电动清洁能源化发展，为我国公路柴油货运车辆尾气污染物减排和蓝天保卫战提供一种全新的技术思路。