电气化公路运输系统技术方案探索

李齐丽，刘 杰，毛 宁，谭晓雨，吴 睿1

（1.交通运输部规划研究院，北京 100028；2.交通排放控制监测技术实验室，北京 100028）

0 引言

碳达峰目标与碳中和愿景是党中央统筹国际国内两个大局做出的重大战略决策，彰显了我国积极应对气候变化、走绿色低碳发展道路的坚定决心和大国担当。交通运输行业作为三大能源消耗及碳排放源之一，是支撑我国碳达峰目标的关键领域，同时是碳减排潜力最大、难度最高的行业。公路运输是交通运输碳排放的重点领域，排放量占交通领域碳排放总量的86.76%，其中重型货车的排放量最大，占公路运输碳排放总量的54%[1]。重型货车运输成为我国公路运输乃至整个交通运输行业节能减排的关键领域，亟需在能源替代等方面实现突破。

电气化公路运输系统是针对原油危机和开发利用、节能环保的需要，提出的一种取长补短，既能发挥公路运输快捷、方便、灵活等诸多优点，又能利用电能替代燃油的一种系统，为重型货车电动化提供了一个现实可行的技术途径[2]。国外对电气化公路技术探索较早，德国、美国、瑞典、意大利等国家建成了试验路段并取得了一些成果。我国对公路电气化运输系统研究尚处于初期阶段，已有学者从技术[3]、经济[4]等方面进行了可行性研究，并对侧集电模式技术方案[5-7]、地面集电技术方案[8-10]、顶部集电方案[11-14]等方面形成系列专利技术，为电气化公路运输系统推广应用打下重要的基础。但电气化公路运输系统技术整体上处于可行性探索阶段，成套技术方案较少，可操作性较弱，在“2030年碳达峰、2060年碳中和”战略背景下，亟需开展电气化公路运输系统技术方案探索，从而为我国推广电气化公路发展奠定基础。

1 电气化公路建设的必要性分析

1.1 交通运输打赢大气污染攻坚战新的路径探索

生态文明是事关中华民族永续发展的千年大计。习近平生态文明思想的确立为新时代全面加强生态环境保护、打好污染防治攻坚战提供了思想指引和行动遵循，其核心目标就是推动全社会各行业生产生活方式绿色转变。交通运输作为基础性、先导性和战略性产业，必须以生态文明思想为指导原则，努力扩大发展与环境的统一，消除发展与环境的矛盾，切实解决好污染防治、生态保护和资源能源节约等问题。

近年来我国污染防治已取得重大进展，但形势依然不乐观。根据《2019中国生态环境状况公报》，2019年全国337个地级及以上城市中就有180个（53.4%）空气质量超标。根据《第二次全国污染源普查公报》，道路移动源的氮氧化物、挥发性有机物排放分别占全国排放总量的59.7%和23.5%。根据《中国机动车环境管理年报2020》，汽车是最重要的道路移动源，其氮氧化物、挥发性有机物贡献率均达90%以上，其中又以柴油车（基本为货运）排放为主。开展电气化公路运输系统研究，推动清洁电动运输技术进步与广泛应用，将有力支撑生态文明建设，助力打赢污染防治攻坚战。

1.2 交通运输实现“双碳”目标新的技术支撑

气候变化是当今人类社会面临的共同挑战。我国始终高度重视应对气候变化工作，以推动构建人类命运共同体理念引领和推进应对气候变化的国际合作，以绿色发展理念引领和推动应对气候变化的国内行动。习近平总书记在第七十五届联合国大会、气候雄心峰会上先后做出重要承诺，宣布中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和，之后习总书记关于“碳达峰目标和碳中和愿景”发表多次重要讲话，“2030年碳达峰、2060年碳中和”已成为国家重大发展战略。

交通运输是三大能源消耗及碳排放源之一，一直是应对气候变化的重点领域。我国交通运输碳排放占全社会排放总量10%左右，而欧美发达国家在完成工业化之后交通运输碳排放占比一般为30%左右。在现有基础上实施“双碳”战略，交通运输无疑是减排潜力最大、难度最高的行业之一。我国交通行业碳排放约80%来自道路运输，而重型柴油车是最重要的排放源，一方面必须严格控制乃至逐步削减碳排放，另一方面又要满足日益增长的多样化、高品质、高效率运输需求，应该也必须尽快突破传统模式，从能源替代、技术革命等角度谋求绿色可持续发展。电气化公路运输体系对此提供了解决方案。

1.3 支撑交通运输“双纲要”任务落地新的任务举措

我国已经是当之无愧的交通大国，正在向交通强国大步迈进。2019年6月中共中央、国务院发布《交通强国建设纲要》，明确提出“推广新能源、清洁能源、智能化、数字化、轻量化、环保型交通装备及成套技术装备”“加强对可能引发交通产业变革的前瞻性、颠覆性技术研究”“构建安全、便捷、高效、绿色、经济的现代化综合交通体系”等要求。公路电气化运输系统是使用清洁能源的环保型交通装备，代表着可持续愿景下的未来发展方向，是可能引发交通产业变革的前瞻性、颠覆性技术，也是推动行业绿色转型和高质量发展的必要有效手段。

2021年2月，中共中央、国务院印发了《国家综合立体交通网规划纲要》，认为我国“外贸货物运输将保持长期增长态势，大宗散货运量未来一段时期保持高位运行状态。东部地区货运需求仍保持较大规模，中西部地区增速将快于东部地区”，提出了“促进交通基础设施网与智能电网融合，适应新能源发展要求”“加强可再生能源、新能源、清洁能源装备设施更新利用和废旧建材再生利用，促进现代装备在交通运输领域应用”等要求。公路电气化运输系统是在环境保护要求趋严、碳排放管控逐步刚性背景下应对货物运输大幅增长的重要举措，将通过能源替代、设备设施更新等手段，促进交通基础设施与电网智能融合，从而实现货运发展与环境保护双赢，为构建高质量综合立体交通网提供支撑。

2 电气化公路运输系统技术构成和适用条件分析

2.1 电气化公路运输系统技术构成

电气化公路运输系统技术主要由接触网供电系统、电动车辆、车载受电弓、综合运营调度系统四部分构成。

（1）接触网供电系统

接触网供电系统是架设在公路上空、路侧的供电线，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提供安全、可靠、优质的电力供应，担负着车辆运行所需电能的供应与传输[2]。接触网供电系统由箱式变电所（含10 kV开闭所、牵引供电设备、配电设备、变电所综合自动化、交直流电源屏等）、牵引网系统、综合接地系统组成。需将10 kV高压降压整流变成直流1 500 V或750 V后供车辆使用，实现对供电设备的控制、连锁、联动、保护、监视及运行数据的测量，并为系统设备提供满足要求的工作接地和安全接地。

（2）电动车辆

电动车辆是指携带部分能源（汽油、天然气、电池等），同时可以从供电网集电的车辆。当电动车辆行驶在电气化公路上，可直接利用供电网电力驱动车辆行驶，并为储能电池充电。当电动车辆超车或离开电气化公路时，可以利用携带的能源提供动力，以便在非集电状态下照常行驶。按照动力组合模式，可分为电网集电+储能电池、电网集电+燃料电池、电网集电+燃油、电网集电+燃气、电网集电+电池+燃油／燃气五种模式[4]。该电动车辆可由新车生产，也可由现有车辆改装而成。

（3）车载受电弓

车载受电弓控制是电气化公路运输系统的核心装置，是安装在电动车辆顶部从接触网接受电能的一种受流装置，在一定车速、条件下司机可控制受电弓与公路上空供电线路的连接或断开[4]。与高铁牵引机车受电弓技术类似，受电弓一般由集电滑板、框架、臂杆、底架、弹簧、气缸、支撑绝缘子等组成。受电弓按其杆臂的结构形式可分为单臂受电弓和双臂受电弓，单臂受电弓结构简单、尺寸小、重量轻，动态跟随性较好；双臂受电弓结构对称，侧向稳定性及受流性较好，技术较为成熟。

（4）综合运营调度系统

为实现电动汽车的高效运行，需配置先进的综合运营调度系统，使其具备编制、管理行车、配车计划功能，实现对车辆位置、车况等信息实时监控及应急通信，以满足中心调度决策需要，有效避免突发事故和行车拥堵无序处理。

2.2 适用条件分析

电气化公路运输系统是重型货车电动化的技术途径之一，可显著降低车载电池组重量和安装空间需求并实时充电，要求重型货车在电气化公路上行驶时尽量有序列队行驶，减少车道变换次数。根据电气化公路运输系统技术特点，电气化公路建设适用条件归纳如下：

（1）经济发达、交通运输减排压力较大的地区

例如京津冀、长三角和珠三角等区域，此类区域交通流量大，排放多、污染高，交通运输减排压力较大，同时具有建设电气化公路的技术基础和经济基础。

（2）节点相对固定的货运通道

节点相对固定的货运通道以中短途货运为主，车辆具有重载、运量大、车型相对单一等特点，电气化公路运输系统建设的技术复杂程度相对较低。例如可选择在矿场坑口与铁路货运站、港口码头、火力电厂等之间新建或升级改造电气化公路。

（3）沿线电力供应基础较好

接触网供电系统由城市电网外部电源和接触网内部供电系统两大部分组成，因此电气化公路运输系统建设需具备一定的电力供应基础。

3 内蒙古某高速电气化公路试验段技术方案

3.1 依托工程概况

内蒙古某高速公路总体呈北南走向，设计速度100 km/h，荷载等级为公路-Ⅰ级，全幅路基宽度26米，设互通立交2处、U型转弯1处、服务区2处，收费站3处、管理中心1处。该项目拟建设试验路段10 km左右，具有建设电气化公路运输系统的条件：

（1）地处平坦开阔区，便于示范工程建设

依托工程位于内蒙古高原低山微丘区、内蒙古高原荒漠草原地带和内蒙古高原中低山丘区，所在区域地形平坦开阔，试验段建设难度小，且运输条件较好，便于试验设备材料运输。

（2）沿线电力基础好，利于公路供电网建设

依托工程走廊带分布有257国奥Ⅰ线、257国奥Ⅱ线（220 KV）和文巴线（110 KV）等多趟高压输电路线，电气化公路运输系统用电可就近接入，为试验段供电网建设提供了良好的电力基础。

（3）工程位于煤运大通道，适合开展电气化试验

依托工程起自甘其毛都口岸，止于乌拉特前旗，是煤炭运输大通道。依托工程以中短途运输为主，车辆以重载货车为主，具有重载、运量大、车型相对单一等特点，适合开展电气化公路试验。

（4）设施规划间距适中，利于试验路段选择

项目拟建设试验路段交通组织便利，具备监测试验场地等基础条件。根据沿线设施规划，海流图西互通路段交通组织相对便利，且匝道设有管理分中心（含监控、通信、收费中心），满足电气化公路试验路段建设条件。

3.2 供电网改造

试验段线路为单向长度10 km，设置三座箱式牵引变电站可满足车辆供电需求。根据依托工程沿线高压输电线路情况，本试验段选择从沿线文巴线（110 kV）区域电网引入一路10 kV电源至开闭所，通过牵引供电设备将10 kV电源转换成直流750 V后供车辆使用，降为低压380/220 V后，供低压动力照明等设备使用。沿路架设柔性架空接触网，将来自牵引变电所的直流电源通过牵引网为车辆提供安全可靠电能，设置综合接地系统，为设备提供满足要求的工作接地和安全接地以满足对地绝缘要求。同时设置变电所综合自动化系统，将变电所的二次设备利用微机技术经过功能的重新组合和优化，实现对供电设备的控制、连锁、联动、保护、监视及运行数据的测量。

3.3 电动车辆配置方案

经初步研究，试验路段配置电动车辆3辆，其中购置油电混合动力新车1辆、纯电动力新车1辆，改造油电混合动力旧车1辆；车辆额定功率为240 kW、峰值功率360 kW。根据初步调研，三种试验车型整车配置参数参考方案见表1，油电混合动力新车和纯电动力新车底盘配置参数参考方案分别见表2和表3。

表1 试验车辆整车配置参数参考方案Tab.1 Reference scheme of test vehicle configuration parameters

表2 油电混合动力新车底盘配置参数参考方案Tab.2 Reference scheme of chassis configuration parameters for new electric hybrid vehicle

表3 纯电动力新车底盘配置主要参数参考方案Tab.3 Reference Scheme for Main Parameters of Chassis Configuration of New Electric Vehicle

3.4 电动车辆受电弓配置

针对电动重卡牵引需求，经初步比较，试验段采用EHC20型受电弓。EHC20型受电弓设有双弓头，由弓头、弓臂、平衡杆、升弓弹簧、底座及绝缘子等部件构成（图4）。EHC20型升弓驱动装置由升弓气缸、升弓弹簧、钢丝绳、升弓滑轮组成。通过升弓气缸驱动拉动升弓弹簧，弹簧形变后产生拉力将弓臂拉起实现升弓，并保证预设的静态接触力。

图1 EHC20型升弓驱动装置Fig.1 EHC20 type lifting bow driving device

3.5 综合运营调度管理系统

在高速公路服务站设置一处综合运营调度管理中心，以实现对全线电车的位置、车况、受电状态、厢式变电站运行及环境状态、电车应急处置、应急通信等信息进行实时监控与调度。此外，根据电动重卡公路驾驶特殊应用场景，受电弓还配备图像监测控制系统，对弓网耦合状态进行实时监测，一旦发现接触线偏离弓头滑板正常工作区域，通过图像监测系统所识别和反馈的偏离量，受电弓横向补偿装置及时进行自适应调整，必要时采取自动降弓保护策略，确保弓网正常受流。

4 电气化公路效益分析

4.1 经济效益分析

从依托工程试验段能源替代的经济效益看，三辆试验车辆（31总吨）运行总里程约57 600公里，共需电费4.1万元；若使用LNG作为燃料，约需18.4吨，按照内蒙古6月份3 600元/吨的价格计算，约需7.3万元；若使用传统柴油燃料，约需耗用20吨，按照时下市场零售价格计算，约需14万元。对比可知，电动化公路运输系统相比LNG货车运输，能源消耗成本降低25%左右；相比传统柴油货车运输，其能源消耗成本降低70%以上。试验工程预测日均车流10 000辆以上，按照80%为柴油货车、每车在路行驶100公里核算，若全线采用电气化公路运输，则其单日能源替代经济效益可达138万元以上，每年能源替代总经济效益可达到5亿元以上。

表4 三种燃料类型车辆成本对比Tab.4 Cost Comparison of Three Types of Fuel Vehicles

4.2 环境效益分析

从试验工程能源替代的环境效益看，三辆试验车辆（31总吨）运行总里程约57 600公里，若使用传统柴油燃料，约需柴油20吨，其二氧化碳排放总量约65.4吨，硫氧化物、氮氧化物、颗粒物排放总量分别为157千克、1 023千克和70.2千克；若使用LNG作为燃料，约需LNG 20.2吨，其二氧化碳排放总量约57.7吨，硫氧化物、氮氧化物、颗粒物排放总量分别为0千克、659千克和3千克。若全线采用电气化公路运输系统，与LNG、柴油相比的单日和全年的二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物、颗粒物减少量分别见表5、表6。其中，与柴油重卡相比，电气化公路运输系统每年能源替代可减少二氧化碳排放30万吨以上，约占当前全自治区二氧化碳排放总量的1.5%左右。

表5 单日污染物排放减少量Tab.5 Single-day pollutant emission reduction

表6 全年污染物排放减少量Tab.6 Annual pollutant emission reduction

5 结语

电气化公路运输系统可为行驶中的大型车辆直接供电（充电）驱动，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。本项目通过应用电能置换传统柴油能源，推进电气化公路运输体系建设，将产生明显的经济效益和环境效益。

电气化公路是一个系统工程，需要新建（或改造）公路供配电系统、制造（或改装）电动车辆、研发制造车载受电弓控制装置以及配套的支持体系，推广初期建设成本高，且需协调多个政府部门，建议由政府统筹推动。此外，关于电气化公路运输系统在我国尚没有具体实践应用，建设实施的交通组织、安全性评价等方面均缺少相应探索。因此在后续研究中应着重开展技术规范适用性研究，评价电气化公路结构物布设、交通工程及沿线设施等工程内容对交通安全的影响，建立合理的运输组织流程、安全保障措施、运输管理机制和运输运行机制等范例。