電氣化公路能夠?qū)崿F(xiàn)電動車在公路和街道上動態(tài)補充電能，是綜合成本低、高效能的電動車補能方案。借助電氣化公路，電動車可邊行駛、邊充電，也可在停泊狀態(tài)自動充電。

但是，為了保證電動車在電氣化公路上可靠充電，需要提高電動車受電窗口的寬度才有利于受電弓可靠跟蹤接觸網(wǎng)，因此積極研究電動車受電窗口在電氣化公路中的優(yōu)化方案是推動電氣化公路發(fā)展的重要措施。

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電動車在固定式（停泊）充電狀態(tài)下受電窗口分析

所有電動車都需充電，不論外部電源充電，還是車載油機發(fā)電充電。外部電源充電，最簡單是停泊充電，最復雜的是行駛充電（運動充電）。停泊充電目前較常見的是插入式充電槍手動對位充電，另一種則是應用受電弓和接觸線半自動充電。

1｜受電窗口和受電窗口相對寬度

使用外部電源充電要求充電頭（或受電弓）對位充電口（或接觸線）準確對位,這就涉及受電窗口問題，受電窗口的寬度決定充電頭（或受電弓）對位充電口（或接觸線）的方便快捷程度。

因此，受電窗口寬度可定義為：充電頭（弓）在有效位移區(qū)域準確對位充電座（網(wǎng)）的距離（長度）。

受電窗口相對寬度則定義為：受電窗口寬度與電動車可相對移動長度的比值。當受電窗口相對寬度達到100%，就意味著電動車可自動對位充電；反之，當受電窗口相對寬度低于100%，就意味著電動車需要手動干預（或通過自動化設備控制）才能實現(xiàn)對位充電。

由于插入式充電槍的金屬接線端子和電動車充電座插孔寬度都比較窄（0.3-1厘米)，插入式充電槍的受電窗口極窄（<1厘米），因此電動車要實現(xiàn)自動充電極為困難（需要極高的對位精度和控制精度），甚至對位失敗可能破壞充電設備。

2｜現(xiàn)有弓網(wǎng)供電電動車在固定充電狀態(tài)下的受電窗口分析

對于使用雙受電弓和雙接觸線供電進行固定式充電的電動車，充電窗口約等于受電滑板長度，考慮安全因素（其中：在不具備滑板換向的前提下，考慮絕緣和安全問題，雙弓之間需要有足夠安全間距，接觸線間距需大于受電滑板寬度），還需扣除安全間距。根據(jù)這個充電要求，固定式雙弓充電系統(tǒng)各部件具有以下關(guān)系:

接觸線間距>=受電滑板寬度+安全間距

充電窗口=單受電滑板長度-安全間距

例如，申沃電動客車在標準道路上（約375厘米）進行固定式充電，若設定其受電滑板長度為50厘米，設安全問間距10厘米（注：該系統(tǒng)不具備換向功能）。則：

受電窗口寬度=50厘米-10厘米=40厘米。

申沃電動客車的受電窗口是比較窄的，其受電窗口相對寬度=40/375=10.7%,因此它的受電弓對位接觸網(wǎng)比較困難，駕駛員必須依賴各種充電標記，準確停泊于指定位置，定點于充電區(qū)才能充電。

再如，中車智軌站區(qū)式雙弓雙線固定充電系統(tǒng)，若設定其受電滑板長度為80厘米，設安全間距15厘米，則其受電窗口65厘米。中車智軌的受電窗口也是比較窄的，其受電弓只能在車身橫向位移65厘米的區(qū)域內(nèi)才能充電。中車智軌充電相對困難，中車智軌需要一定權(quán)限的路權(quán)才能保證受電弓可靠對位充電，因此受限于充電位較少的現(xiàn)實，常常會有多個智軌列車排隊充電現(xiàn)象。

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傳統(tǒng)弓網(wǎng)供電的電動車在行駛狀態(tài)下受電窗口分析

1｜發(fā)展中的“受電弓+接觸網(wǎng)”充供電系統(tǒng)

對于有路權(quán)的有軌電車，因為鋼軌的導電和導向功能，其受電弓與接觸線可保持相對穩(wěn)定的連接，并無受電窗口要求。但是，對于使用雙接觸線且無路權(quán)的電動車，受限于“滑板之間和弓網(wǎng)之間”的短路問題，在運動狀態(tài)下要實現(xiàn)受電弓與雙接觸線可靠連接是相當困難的。

為解決雙接觸線電氣化公路供電難題，經(jīng)過一百年多年、特別是近十年來的努力，電氣化公路已經(jīng)形成三種受電弓方案：一種是德國西門子“獨立雙弓雙線方案”，第二種是中車株洲和三一重卡的“聯(lián)動雙弓雙線方案”，第三種是獨具特色的中國方案“電子換向單弓雙線方案”。

2｜典型西門子受電弓供電方案在行駛（運動）狀態(tài)下的受電窗口分析

德國西門子“獨立雙弓雙線方案”

該方案的兩個受電弓相互獨立，兩弓之間空氣絕緣，應用視頻跟蹤、計算機等自動控制技術(shù)，可實現(xiàn)雙弓在運動狀態(tài)下跟蹤雙接觸線。

西門子“獨立雙弓雙線方案”無換向功能，受電弓滑板長度1米，安全間距0.4厘米，則其受電窗口寬度約為0.6米，即：1-0.4＝0.6米。

如果電動卡車行駛在標準機動車道寬3.75米的電氣化公路，其受電窗口僅占機動車道寬的16%（受電窗口相對寬度=0.8/3.75=16%）。

總體上，西門子“獨立雙弓雙線方案”是可行的，但是受電窗口太窄，因而供電可靠性極低，需輔助復雜的自動化控制系統(tǒng)才維持弓網(wǎng)穩(wěn)定連接，故而技術(shù)復雜、成本太高，即便是德國這個機械電氣化和自動控制技術(shù)強國也難以控制成本，難以大眾化遍及。

聯(lián)動雙弓雙線方案

在中國新能源電動車引領世界汽車發(fā)展的大勢下，中車株洲、清華大學和三一重卡升級“德國西門子獨立雙弓雙線方案”，實現(xiàn)中國版的“聯(lián)動雙弓雙線方案”，該方案的特點是：雙弓之間使用聯(lián)接件將雙弓連接在一起，由于雙弓之間應用了聯(lián)接件，可避免某一接觸線可能卡在兩弓之間出現(xiàn)故障之類的問題，以及單弓單桿穩(wěn)定性差的問題。

中車株洲“聯(lián)動雙弓雙線方案”仍然沒有滑板換向功能，設受電弓滑板長度1米，安全間距0.4米，則其受電窗口寬度約為0.6米。該電動卡車行駛在車道寬3.75米的電氣化公路上，受電窗口相對寬度=0.6/3.75=16%。

由于每一個弓上滑板長度較大約1米，聯(lián)接件約0.4米，因此接觸線間距達1.5米。如此之大的線間距導致受電窗口太窄（僅0.6米），受電弓跟蹤接觸網(wǎng)較為困難，必須使用多余度自動控制裝置（受電弓撐桿根部安裝十字萬向節(jié)，采取多維度控制），在水平橫向和垂直方向等多個方向上頻繁控制受電弓作復雜運動，才能保持弓網(wǎng)同步。

總體上，該技術(shù)方案較之西門子方案進步不大，因其線間距太大，無換向功能，弓網(wǎng)跟蹤困難，仍然復雜、成本太高，進展緩慢。

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“電子換向單弓雙線方案”技術(shù)特點和受電分析

3.1｜ “電子換向單弓雙線方案”的技術(shù)特點

“電子換向單弓雙線方案”是獨具特色的、中國化、高性能受電弓供電方案，該方案應用電子換向、滑板復用、多相整流，每一個滑板單獨轉(zhuǎn)接一組整流器，通過交錯換向式受電滑板與多相整流器的換向和整流作用，迫使接觸線傳輸?shù)?a href="http://m.makelele.cn/tags/電流/" target="_blank">電流被分離到直流母線的正負極線路上，實現(xiàn)移動（運動）供電。

電子換向受電弓和電氣化公路結(jié)構(gòu)示意圖

這種供電方式是柔性接觸供電，能夠最大程度避免滑板間短路，能夠高效利用整個受電弓的導電區(qū)域，因此受電窗口寬，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可靠性高，傳輸功率大。

中國方案與德國方案是當今兩大主流電氣化公路路線

3.2 ｜“電子換向單弓雙線方案”在行駛狀態(tài)下的受電窗口分析

“電子換向單弓雙線方案”的技術(shù)核心是：在一個弓上集成多個受電滑板和多相整流器，應用電子換向、滑板復用、多相整流，用一個弓虛擬多個受電弓，滑板與滑板的過渡區(qū)可同時從接觸線供電（不會出現(xiàn)板間短路），因此“電子換向單弓雙線方案”的受電窗口可按下面公式計算：

換向弓受電窗口=受電弓導電區(qū)域×雙倍復用-接觸線間距

“電子換向單弓雙線方案”可以使用線間距較小的接觸網(wǎng)，高效利用受電弓的導電區(qū)域，受電窗口比較寬，有利于簡化線網(wǎng)跟蹤和自動控制系統(tǒng)。

“電子換向單弓雙線方案”在商用客車及貨運車輛的受電窗口分析

對于商用客車及貨運車輛，設其車寬約2-2.5米，如果使用2.4米電子換向受電弓，假設接觸線寬0.6米，其受電窗口為4.2米（即：2.4×2-0.6=4.2），受電窗口相對寬度=4.2/3.75=112%。

由于該受電窗口寬度已經(jīng)遠大于車道寬度，表明該受電窗口已經(jīng)出現(xiàn)過盈量（由此增加了12%冗余備份），能夠100%保證電動車在標準車道行駛時，無需跟蹤設備也能可靠實現(xiàn)“弓網(wǎng)連接”供電。

電動車行駛（移動）狀態(tài)下的受電窗口分析

電子換向受電弓通過整流和換向，能夠保證行駛中的電動車從接觸線充供電。在具體行駛狀態(tài)下，受電窗口有所不同，如下分析：

1、位于“車道正中”正常行駛狀態(tài)下的電動車，受電弓中心正對接觸網(wǎng)中心處，能夠可靠弓網(wǎng)供電。

處于車道正中的電子換向受電弓——行駛中的電動車

2、位于“車道左側(cè)”正向行駛狀態(tài)下的電動車，受電弓右端對位接觸網(wǎng)，通過換向作用，受電弓能夠可靠弓網(wǎng)供電。

處于車道左側(cè)的電子換向受電弓——行駛中的電動車

3、位于“車道右側(cè)”正向行駛狀態(tài)下的電動車，受電弓左端對位接觸網(wǎng)，通過換向作用，受電弓能夠可靠弓網(wǎng)供電。

處于車道右側(cè)的電子換向受電弓——行駛中的電動車

4、位于“車道右側(cè)”斜向行駛狀態(tài)下的電動車，受電弓左端對位接觸網(wǎng)，通過換向作用，受電弓能夠可靠弓網(wǎng)供電。

右側(cè)行駛在大傾斜角度狀態(tài)下充供電電子換向受電弓

5、位于“車道左側(cè)”斜向行駛狀態(tài)下的電動車，受電弓右端對位接觸網(wǎng)，通過換向作用，受電弓能夠可靠弓網(wǎng)供電。

右側(cè)行駛在大傾斜角度狀態(tài)下充供電電子換向受電弓

綜上分析，在電動車行駛于電氣化公路的多種工作狀態(tài)下，由于電子換向受電弓均能可靠跟蹤接觸線，從而有效解決電動車橫向位移致弓網(wǎng)供電不穩(wěn)定的問題。

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結(jié)語

當電動車大行其道之時，電氣化公路將順時而動、應勢而為，成為電動車最便捷、最經(jīng)濟的充電補能手段。

為解決電動車在電氣化公路行駛或停泊時可靠充供電，提高受電弓的受電寬度是非常有必要的。通過分析現(xiàn)有典型受電弓在多種狀態(tài)下的受電窗口寬度，可以得出以下結(jié)論：

一是優(yōu)化和提升電動車受電窗口寬度，有利于簡化供電系統(tǒng)和提升供電系統(tǒng)可靠性，有利于推動電氣化公路快速發(fā)展，從而降低電動車的充電成本，進而推動電氣化公路的普及。

二是電子換向受電弓因其具有換向功能、受電窗口寬的優(yōu)勢，有利于弓網(wǎng)可靠連接，電子換向受電弓特別適合于電動車在電氣化公路上行駛充電，既可降低成本，又可提高電動車供電可靠性。

三是借助電子換向受電弓，能夠助力電動車實現(xiàn)：低成本泊車自動充電系統(tǒng)。

借助電子換向受電弓，電動車可在泊車狀態(tài)下，且不借助復雜自動控制系統(tǒng)，只要停泊于有效劃線的充電區(qū)域，電子換向受電弓系統(tǒng)可實現(xiàn)模糊對位、自動充電（即：車主可不下車，或下車離開后，電動車模糊對位、自動充電）。

在泊車模式下，電動車使用電子換向受電弓實現(xiàn)自動充電，具有設備簡單、綜合成本低的優(yōu)勢。

作者：賈鳳斌（微信：ht89256475）

編輯：黃飛

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