電氣化公路能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)車(chē)在公路和街道上動(dòng)態(tài)補(bǔ)充電能，是綜合成本低、高效能的電動(dòng)車(chē)補(bǔ)能方案。借助電氣化公路，電動(dòng)車(chē)可邊行駛、邊充電，也可在停泊狀態(tài)自動(dòng)充電。

但是，為了保證電動(dòng)車(chē)在電氣化公路上可靠充電，需要提高電動(dòng)車(chē)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(dòng)車(chē)受電窗口在電氣化公路中的優(yōu)化方案是推動(dòng)電氣化公路發(fā)展的重要措施。

1?

電動(dòng)車(chē)在固定式（停泊）充電狀態(tài)下受電窗口分析

所有電動(dòng)車(chē)都需充電，不論外部電源充電，還是車(chē)載油機(jī)發(fā)電充電。外部電源充電，最簡(jiǎn)單是停泊充電，最復(fù)雜的是行駛充電（運(yùn)動(dòng)充電）。停泊充電目前較常見(jiàn)的是插入式充電槍手動(dòng)對(duì)位充電，另一種則是應(yīng)用受電弓和接觸線(xiàn)半自動(dòng)充電。

1｜受電窗口和受電窗口相對(duì)寬度

使用外部電源充電要求充電頭（或受電弓）對(duì)位充電口（或接觸線(xiàn)）準(zhǔn)確對(duì)位,這就涉及受電窗口問(wèn)題，受電窗口的寬度決定充電頭（或受電弓）對(duì)位充電口（或接觸線(xiàn)）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(zhǔn)確對(duì)位充電座（網(wǎng)）的距離（長(zhǎng)度）。

受電窗口相對(duì)寬度則定義為：受電窗口寬度與電動(dòng)車(chē)可相對(duì)移動(dòng)長(zhǎng)度的比值。當(dāng)受電窗口相對(duì)寬度達(dá)到100%，就意味著電動(dòng)車(chē)可自動(dòng)對(duì)位充電；反之，當(dāng)受電窗口相對(duì)寬度低于100%，就意味著電動(dòng)車(chē)需要手動(dòng)干預(yù)（或通過(guò)自動(dòng)化設(shè)備控制）才能實(shí)現(xiàn)對(duì)位充電。

由于插入式充電槍的金屬接線(xiàn)端子和電動(dòng)車(chē)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(dòng)車(chē)要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電極為困難（需要極高的對(duì)位精度和控制精度），甚至對(duì)位失敗可能破壞充電設(shè)備。

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

對(duì)于使用雙受電弓和雙接觸線(xiàn)供電進(jìn)行固定式充電的電動(dòng)車(chē)，充電窗口約等于受電滑板長(zhǎng)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(wèn)題，雙弓之間需要有足夠安全間距，接觸線(xiàn)間距需大于受電滑板寬度），還需扣除安全間距。根據(jù)這個(gè)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(xiàn)間距>=受電滑板寬度+安全間距

充電窗口=單受電滑板長(zhǎng)度-安全間距

例如，申沃電動(dòng)客車(chē)在標(biāo)準(zhǔn)道路上（約375厘米）進(jìn)行固定式充電，若設(shè)定其受電滑板長(zhǎng)度為50厘米，設(shè)安全問(wèn)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(dòng)客車(chē)的受電窗口是比較窄的，其受電窗口相對(duì)寬度=40/375=10.7%,因此它的受電弓對(duì)位接觸網(wǎng)比較困難，駕駛員必須依賴(lài)各種充電標(biāo)記，準(zhǔn)確停泊于指定位置，定點(diǎn)于充電區(qū)才能充電。

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

2?

傳統(tǒng)弓網(wǎng)供電的電動(dòng)車(chē)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(duì)于有路權(quán)的有軌電車(chē)，因?yàn)殇撥壍膶?dǎo)電和導(dǎo)向功能，其受電弓與接觸線(xiàn)可保持相對(duì)穩(wěn)定的連接，并無(wú)受電窗口要求。但是，對(duì)于使用雙接觸線(xiàn)且無(wú)路權(quán)的電動(dòng)車(chē)，受限于“滑板之間和弓網(wǎng)之間”的短路問(wèn)題，在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下要實(shí)現(xiàn)受電弓與雙接觸線(xiàn)可靠連接是相當(dāng)困難的。

為解決雙接觸線(xiàn)電氣化公路供電難題，經(jīng)過(guò)一百年多年、特別是近十年來(lái)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(guó)西門(mén)子“獨(dú)立雙弓雙線(xiàn)方案”，第二種是中車(chē)株洲和三一重卡的“聯(lián)動(dòng)雙弓雙線(xiàn)方案”，第三種是獨(dú)具特色的中國(guó)方案“電子換向單弓雙線(xiàn)方案”。

2｜典型西門(mén)子受電弓供電方案在行駛（運(yùn)動(dòng)）狀態(tài)下的受電窗口分析

德國(guó)西門(mén)子“獨(dú)立雙弓雙線(xiàn)方案”

該方案的兩個(gè)受電弓相互獨(dú)立，兩弓之間空氣絕緣，應(yīng)用視頻跟蹤、計(jì)算機(jī)等自動(dòng)控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)雙弓在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下跟蹤雙接觸線(xiàn)。

西門(mén)子“獨(dú)立雙弓雙線(xiàn)方案”無(wú)換向功能，受電弓滑板長(zhǎng)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(dòng)卡車(chē)行駛在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)動(dòng)車(chē)道寬3.75米的電氣化公路，其受電窗口僅占機(jī)動(dòng)車(chē)道寬的16%（受電窗口相對(duì)寬度=0.8/3.75=16%）。

總體上，西門(mén)子“獨(dú)立雙弓雙線(xiàn)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(fù)雜的自動(dòng)化控制系統(tǒng)才維持弓網(wǎng)穩(wěn)定連接，故而技術(shù)復(fù)雜、成本太高，即便是德國(guó)這個(gè)機(jī)械電氣化和自動(dòng)控制技術(shù)強(qiáng)國(guó)也難以控制成本，難以大眾化遍及。

聯(lián)動(dòng)雙弓雙線(xiàn)方案

在中國(guó)新能源電動(dòng)車(chē)引領(lǐng)世界汽車(chē)發(fā)展的大勢(shì)下，中車(chē)株洲、清華大學(xué)和三一重卡升級(jí)“德國(guó)西門(mén)子獨(dú)立雙弓雙線(xiàn)方案”，實(shí)現(xiàn)中國(guó)版的“聯(lián)動(dòng)雙弓雙線(xiàn)方案”，該方案的特點(diǎn)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(yīng)用了聯(lián)接件，可避免某一接觸線(xiàn)可能卡在兩弓之間出現(xiàn)故障之類(lèi)的問(wèn)題，以及單弓單桿穩(wěn)定性差的問(wèn)題。

中車(chē)株洲“聯(lián)動(dòng)雙弓雙線(xiàn)方案”仍然沒(méi)有滑板換向功能，設(shè)受電弓滑板長(zhǎng)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(dòng)卡車(chē)行駛在車(chē)道寬3.75米的電氣化公路上，受電窗口相對(duì)寬度=0.6/3.75=16%。

由于每一個(gè)弓上滑板長(zhǎng)度較大約1米，聯(lián)接件約0.4米，因此接觸線(xiàn)間距達(dá)1.5米。如此之大的線(xiàn)間距導(dǎo)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(dòng)控制裝置（受電弓撐桿根部安裝十字萬(wàn)向節(jié)，采取多維度控制），在水平橫向和垂直方向等多個(gè)方向上頻繁控制受電弓作復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，才能保持弓網(wǎng)同步。

總體上，該技術(shù)方案較之西門(mén)子方案進(jìn)步不大，因其線(xiàn)間距太大，無(wú)換向功能，弓網(wǎng)跟蹤困難，仍然復(fù)雜、成本太高，進(jìn)展緩慢。

3?

“電子換向單弓雙線(xiàn)方案”技術(shù)特點(diǎn)和受電分析

3.1｜ “電子換向單弓雙線(xiàn)方案”的技術(shù)特點(diǎn)

“電子換向單弓雙線(xiàn)方案”是獨(dú)具特色的、中國(guó)化、高性能受電弓供電方案，該方案應(yīng)用電子換向、滑板復(fù)用、多相整流，每一個(gè)滑板單獨(dú)轉(zhuǎn)接一組整流器，通過(guò)交錯(cuò)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(xiàn)傳輸?shù)?a href="http://www.delux-kingway.cn/tags/電流/" target="_blank">電流被分離到直流母線(xiàn)的正負(fù)極線(xiàn)路上，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)（運(yùn)動(dòng)）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(gè)受電弓的導(dǎo)電區(qū)域，因此受電窗口寬，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高，傳輸功率大。

中國(guó)方案與德國(guó)方案是當(dāng)今兩大主流電氣化公路路線(xiàn)

3.2 ｜“電子換向單弓雙線(xiàn)方案”在行駛狀態(tài)下的受電窗口分析

“電子換向單弓雙線(xiàn)方案”的技術(shù)核心是：在一個(gè)弓上集成多個(gè)受電滑板和多相整流器，應(yīng)用電子換向、滑板復(fù)用、多相整流，用一個(gè)弓虛擬多個(gè)受電弓，滑板與滑板的過(guò)渡區(qū)可同時(shí)從接觸線(xiàn)供電（不會(huì)出現(xiàn)板間短路），因此“電子換向單弓雙線(xiàn)方案”的受電窗口可按下面公式計(jì)算：

換向弓受電窗口=受電弓導(dǎo)電區(qū)域×雙倍復(fù)用-接觸線(xiàn)間距

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

“電子換向單弓雙線(xiàn)方案”在商用客車(chē)及貨運(yùn)車(chē)輛的受電窗口分析

對(duì)于商用客車(chē)及貨運(yùn)車(chē)輛，設(shè)其車(chē)寬約2-2.5米，如果使用2.4米電子換向受電弓，假設(shè)接觸線(xiàn)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(duì)寬度=4.2/3.75=112%。

由于該受電窗口寬度已經(jīng)遠(yuǎn)大于車(chē)道寬度，表明該受電窗口已經(jīng)出現(xiàn)過(guò)盈量（由此增加了12%冗余備份），能夠100%保證電動(dòng)車(chē)在標(biāo)準(zhǔn)車(chē)道行駛時(shí)，無(wú)需跟蹤設(shè)備也能可靠實(shí)現(xiàn)“弓網(wǎng)連接”供電。

電動(dòng)車(chē)行駛（移動(dòng)）狀態(tài)下的受電窗口分析

電子換向受電弓通過(guò)整流和換向，能夠保證行駛中的電動(dòng)車(chē)從接觸線(xiàn)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(chē)道正中”正常行駛狀態(tài)下的電動(dòng)車(chē)，受電弓中心正對(duì)接觸網(wǎng)中心處，能夠可靠弓網(wǎng)供電。

處于車(chē)道正中的電子換向受電弓——行駛中的電動(dòng)車(chē)

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

處于車(chē)道左側(cè)的電子換向受電弓——行駛中的電動(dòng)車(chē)

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

處于車(chē)道右側(cè)的電子換向受電弓——行駛中的電動(dòng)車(chē)

4、位于“車(chē)道右側(cè)”斜向行駛狀態(tài)下的電動(dòng)車(chē)，受電弓左端對(duì)位接觸網(wǎng)，通過(guò)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(chē)道左側(cè)”斜向行駛狀態(tài)下的電動(dòng)車(chē)，受電弓右端對(duì)位接觸網(wǎng)，通過(guò)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(dòng)車(chē)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(xiàn)，從而有效解決電動(dòng)車(chē)橫向位移致弓網(wǎng)供電不穩(wěn)定的問(wèn)題。

4?

結(jié)語(yǔ)

當(dāng)電動(dòng)車(chē)大行其道之時(shí)，電氣化公路將順時(shí)而動(dòng)、應(yīng)勢(shì)而為，成為電動(dòng)車(chē)最便捷、最經(jīng)濟(jì)的充電補(bǔ)能手段。

為解決電動(dòng)車(chē)在電氣化公路行駛或停泊時(shí)可靠充供電，提高受電弓的受電寬度是非常有必要的。通過(guò)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(dòng)車(chē)受電窗口寬度，有利于簡(jiǎn)化供電系統(tǒng)和提升供電系統(tǒng)可靠性，有利于推動(dòng)電氣化公路快速發(fā)展，從而降低電動(dòng)車(chē)的充電成本，進(jìn)而推動(dòng)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(shì)，有利于弓網(wǎng)可靠連接，電子換向受電弓特別適合于電動(dòng)車(chē)在電氣化公路上行駛充電，既可降低成本，又可提高電動(dòng)車(chē)供電可靠性。

三是借助電子換向受電弓，能夠助力電動(dòng)車(chē)實(shí)現(xiàn)：低成本泊車(chē)自動(dòng)充電系統(tǒng)。

借助電子換向受電弓，電動(dòng)車(chē)可在泊車(chē)狀態(tài)下，且不借助復(fù)雜自動(dòng)控制系統(tǒng)，只要停泊于有效劃線(xiàn)的充電區(qū)域，電子換向受電弓系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)模糊對(duì)位、自動(dòng)充電（即：車(chē)主可不下車(chē)，或下車(chē)離開(kāi)后，電動(dòng)車(chē)模糊對(duì)位、自動(dòng)充電）。

在泊車(chē)模式下，電動(dòng)車(chē)使用電子換向受電弓實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、綜合成本低的優(yōu)勢(shì)。

作者：賈鳳斌（微信：ht89256475）

編輯：黃飛

?