電氣化公路技術(shù)進(jìn)展及在中國應(yīng)用的可行性分析

黃少雄，蔣海峰，楊文銀，劉志強(qiáng)，袁旻忞

(1.廣東省仁博高速管理中心仁新管理處，廣東 韶關(guān) 512600；2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088； 3.交通運(yùn)輸部規(guī)劃研究院，北京 100028；4.公路交通環(huán)境保護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100088)

0 引言

應(yīng)對氣候變化和降低汽車尤其是重型柴油貨運(yùn)車輛的污染物排放對世界各國來說都是一個(gè)重大的挑戰(zhàn)?！吨袊鴻C(jī)動(dòng)車環(huán)境管理年報(bào)2018年度報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示：占汽車保有量3.4%的重型柴油貨車和大型客車(84萬輛和617萬輛)的尾氣污染物排放分別占全部汽車CO、HC、NOx和PM總排放的25.7%，32.0%，70.8%和75.2%，如圖1、圖2所示，表明總量占比不大的柴油貨車反而是公路交通運(yùn)輸領(lǐng)域污染物排放的主要來源之一[1-2]。近年來，世界各國非常重視電動(dòng)汽車的推廣應(yīng)用。例如，德國、英國和法國等歐洲國家分別宣布到2030年和2040年開始禁售新的汽油和柴油車。 2018年6月中央發(fā)布了《關(guān)于全面加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)堅(jiān)決打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的意見》，對交通運(yùn)輸行業(yè)柴油貨車污染治理提出了更高要求[3-4]。重型柴油貨車電動(dòng)化雖然被認(rèn)為是降低車輛尾氣污染物排放的一個(gè)重要手段，其主要技術(shù)瓶頸是如何降低車載儲(chǔ)能設(shè)備的體積和重量。按照現(xiàn)有車載蓄電池一次儲(chǔ)能動(dòng)力計(jì)算，一輛載重49 t的六軸貨車若連續(xù)行駛500 km，約需配備重達(dá)8 t以上的車載蓄電池組，且需要提供足夠大的安裝空間，這在很大程度上制約了重型柴油貨車電動(dòng)化的推廣應(yīng)用。

圖1 中國車輛構(gòu)成與污染物排放比例統(tǒng)計(jì)Fig.1 Statistics of vehicle composition and pollutant emission proportion in China

圖2 重型柴油貨車和大型客車污染物排放比例Fig.2 Proportion of pollutant emissions from heavy diesel trucks and large buses

蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)瓶頸若在短時(shí)間內(nèi)難以取得革命性突破，而電氣化公路運(yùn)輸技術(shù)則為重型貨車電動(dòng)化提供了一個(gè)現(xiàn)實(shí)可行的技術(shù)途徑。通過在行駛中的重型電動(dòng)貨車實(shí)時(shí)供電(充電)驅(qū)動(dòng)，一方面可增大續(xù)航里程，滿足長距離行駛需求，另一方面可顯著降低車載電池組重量和安裝空間需求。實(shí)時(shí)充電也滿足汽車超車和駛離電氣化公路后的短途行駛需要，從而從根本上改變了重型柴油貨車能源消耗結(jié)構(gòu)，大幅減少重型柴油貨車尾氣污染物排放，為公路交通運(yùn)輸行業(yè)打贏柴油車輛污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)提供了一種全新的技術(shù)思路[5-6]。

1 電氣化公路技術(shù)類型

電氣化公路(Electric Highway，簡稱eHighway)的概念最早由德國西門子公司于2010年提出[7-8]。2019年5月研究組主要成員赴德國法蘭克福和瑞典參加了第三屆國際電氣化公路技術(shù)交流會(huì)，并對兩種不同技術(shù)類型的電氣化公路技術(shù)和試驗(yàn)測試路段進(jìn)行了考察交流。從目前開展的電氣化公路技術(shù)和試驗(yàn)測試路段來看，可分為在公路上空架線式和在路面上嵌入軌道式兩種電氣化公路技術(shù)類型，如圖3所示。

圖3 德國空中架線式電氣化公路和瑞典路面軌道式電氣化公路Fig.3 German aerial wired electrified highway and Swedish road track electrified highway

1.1 德國空中架線式電氣化公路

德國環(huán)保部為應(yīng)對氣候變化，降低德國及其國內(nèi)過境貨運(yùn)車輛的碳排放發(fā)起了一項(xiàng)柴油貨車清潔能源化計(jì)劃，于2010年率先提出了空中架線式電氣化公路技術(shù)方案。德國空中架線式電氣化公路系統(tǒng)主要包括供電線路、電動(dòng)牽引卡車及車載智能受電弓控制系統(tǒng)3部分，如圖4所示?？罩屑芫€式電氣化公路核心是將車載智能受電弓與混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)合使用，供電線路架設(shè)在公路上空，為在該路段行駛的裝配有車載受電弓裝置的重型混合動(dòng)力貨運(yùn)車輛進(jìn)行動(dòng)態(tài)供(充)電的一種技術(shù)。接觸網(wǎng)系統(tǒng)的核心是將智能受電弓與混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)合使用，配備車載智能受電弓控制系統(tǒng)的混合動(dòng)力電動(dòng)貨車在行駛時(shí)可以從公路上空架設(shè)供電線路上獲得動(dòng)力，支持其高效行駛，同時(shí)實(shí)現(xiàn)零排放。在沒有配備供電網(wǎng)設(shè)施的公路上，車輛可自動(dòng)調(diào)節(jié)到混合動(dòng)力系統(tǒng)行駛[9-11]。

圖4 德國空中架線式電氣化公路技術(shù)原理Fig.4 Technical principle of German aerial wired electrified highway

圖5 德國G?vle空中架線式電氣化公路測試路段Fig.5 The test sections of overhead electrified road in gross G?vle

圖6 美國加利福尼亞空中架線式電氣化公路 試驗(yàn)測試路段(1.6 km)Fig.6 Test section of aerial wired electrified highway in California, USA (1.6 km)

從2010年開始，德國西門子公司在德國環(huán)保部、瑞典交通署和美國加利福尼亞交通運(yùn)輸管理部門資助下先后在德國、瑞典、美國開展了3個(gè)電氣化公路路段的試驗(yàn)和測試工作，如圖5和圖6所示。德國環(huán)保部出資委托西門子公司、卡梅隆大學(xué)以及卡車生產(chǎn)企業(yè)等單位聯(lián)合開展研發(fā)和試驗(yàn)測試。西門子公司聯(lián)合瑞典SCANIA卡車制造公司聯(lián)合開發(fā)了受電弓控制系統(tǒng)。瑞典SCANIA卡車制造公司研發(fā)生產(chǎn)了專門用于電氣化公路的混合動(dòng)力電動(dòng)牽引卡車，并聯(lián)合西門子和研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合開展了測試和功能驗(yàn)證，主要測試內(nèi)容包括：

圖7 瑞典路面軌道式電氣化公路技術(shù)原理Fig.7 Technical principle of Swedish road track electrified highway

(1)電氣化公路供電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、供電電壓類型選擇、電壓電流穩(wěn)定性測試分析。德國電氣化公路供電網(wǎng)設(shè)置高度6 m左右，滿足幾乎所有常規(guī)高度車輛行駛。供電線路采用的是比較成熟的標(biāo)準(zhǔn)化670 V DC直流供電方式。路側(cè)沿線設(shè)置箱式變電站，箱式變電站一般接入城鎮(zhèn)35 kV或10 kV電網(wǎng)，通過整流、變壓成670 V DC直流電后，輸送至供電接觸網(wǎng)。箱式變電站可根據(jù)城市電網(wǎng)電壓等級和電氣化公路充電貨運(yùn)車輛的需求，對其容量進(jìn)行有針對性的設(shè)計(jì)和配置變壓器容量。與軌道交通列車啟動(dòng)制動(dòng)帶來的牽引網(wǎng)兆瓦級的波動(dòng)相比，長途貨運(yùn)卡車因?yàn)榇蟛糠謺r(shí)間內(nèi)處于勻速行駛狀態(tài)，負(fù)荷具有較好的可預(yù)測性，電網(wǎng)可以通過負(fù)荷預(yù)測進(jìn)行合理調(diào)度。

(2)電氣化公路沿線電動(dòng)貨車充電需求與變配電站容量設(shè)計(jì)。目前德國測試用電動(dòng)貨運(yùn)車輛采用的是瑞典某卡車公司生產(chǎn)的油電混合動(dòng)力車型(hybrid)，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)混合驅(qū)動(dòng)，試驗(yàn)測試階段用電的牽引車配置的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為130 kW，配有10 kW·h左右的車載蓄電池組，純電續(xù)駛里程15 km左右。

(3)電動(dòng)貨車車載受電弓控制系統(tǒng)充電效率、在線升降控制以及電氣安全性測試。目前德國西門子試驗(yàn)測試的車載受電弓控制裝置最高允許車速為90 km/h，已經(jīng)完成了三代受電弓控制裝置的試驗(yàn)更新和輕型化。

(4)電氣化公路運(yùn)輸成本與降低柴油貨車尾氣污染物和環(huán)保效益評估分析。目前德國國內(nèi)大學(xué)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)針對燃油貨車和混合動(dòng)力的電動(dòng)貨車運(yùn)輸成本進(jìn)行了比較分析，同時(shí)開展了電氣化公路在降低柴油貨車尾氣污染物和環(huán)保效益的評估工作。

1.2 瑞典路面軌道式電氣化公路

瑞典路面軌道式電氣化公路技術(shù)是通過在公路路面上挖槽內(nèi)嵌安裝由瀝青砂膠、耐磨鋼、電氣絕緣層、導(dǎo)電極等部件組成的供電軌道，如圖7所示。在電動(dòng)貨車牽引車輛的底盤上安置一根能夠靈活升降(允許左右擺動(dòng)幅度1.2 m左右)的充電連接臂。當(dāng)電動(dòng)車輛行駛在充電軌道上方需要充電時(shí)，連接臂放下，并自動(dòng)尋找軌道與其連接，實(shí)現(xiàn)外部電力直接驅(qū)動(dòng)，或者為車載蓄電池組充電。

2015年由瑞典交通署資助，由瑞典國家道路與交通研究所(VTI)牽頭負(fù)責(zé)開展軌道式電氣化公路的研究開發(fā)工作。瑞典DAF卡車制造公司研發(fā)生產(chǎn)了專門用于瑞典軌道式電氣化公路的混合動(dòng)力電動(dòng)牽引卡車。瑞典VTI也開展了軌道供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)論證、供電網(wǎng)電壓電流選型、配電網(wǎng)容量設(shè)計(jì)、配電網(wǎng)安全性和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)以及分段容量設(shè)計(jì)等工作。

2017年和2018年，瑞典分別在林雪平郊區(qū)和斯德哥爾摩城外開通了1.5 km和2 km的路面嵌入供電軌道式的電氣化公路試驗(yàn)路段，進(jìn)行系統(tǒng)化試驗(yàn)測試和分析工作。瑞典地面軌道式電氣化公路的工作電壓800 V，最大電流250 A，最大功率/公里10 MW。地面軌道50 m為一段，分段鋪設(shè)和供電，每公里設(shè)置一個(gè)分變壓站將電壓從20 kV將至800 V，每個(gè)變電站為20個(gè)軌道段(50 m/段)供電。

圖8 瑞典路面軌道式電氣化公路試驗(yàn)測試路段Fig.8 Test section of Swedish road track electrified highway

公路空中架線式電氣化公路分別在德國、瑞典、美國等國家開展了不同環(huán)境區(qū)域的多個(gè)試驗(yàn)路段的功能性驗(yàn)證測試工作。供電網(wǎng)設(shè)置、受電弓控制技術(shù)以及電氣化牽引車輛生產(chǎn)相關(guān)技術(shù)基本成熟?？罩屑芫€式電氣化公路建設(shè)不需要路面占道施工，也不需要中斷交通，對原有公路正常交通影響小，是目前各國優(yōu)先選擇的試點(diǎn)路段建設(shè)方案。2019年德國環(huán)保部在法蘭克福主要的貨運(yùn)公路上投資建設(shè)了50 km的電氣化公路示范路段。意大利、印度等國也準(zhǔn)備建設(shè)試驗(yàn)路段。

2 我國建設(shè)電氣化公路的必要性分析

2.1 應(yīng)對柴油貨車污染物挑戰(zhàn)的戰(zhàn)略選擇

交通運(yùn)輸部《2017年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》數(shù)據(jù)表明：2012年至2017年，我國柴油貨車及其柴油消耗量仍呈上升態(tài)勢，全國柴油貨車保有量年均增長3.4%，柴油消費(fèi)年均增長1.05%(從15 622.6萬t增加到16 604.0萬t)。預(yù)計(jì)這種態(tài)勢短時(shí)期內(nèi)難以改變[12]。因此，柴油貨車尾氣污染物防治任務(wù)艱巨、形勢嚴(yán)峻。建設(shè)電氣化公路運(yùn)輸系統(tǒng)，將使大型車輛由柴油驅(qū)動(dòng)改變?yōu)殡娏︱?qū)動(dòng)，可從源頭上解決柴油汽車尾氣污染物排放問題。

2.2 落實(shí)打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)重大部署的新舉措

污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)是黨的十九大部署的“三大攻堅(jiān)戰(zhàn)”之一。2018年6月，中共中央、國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于全面加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)堅(jiān)決打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的意見》(中發(fā)〔2018〕17號(hào))，明確提出打好柴油貨車污染治理攻堅(jiān)戰(zhàn)，鼓勵(lì)清潔能源車輛推廣使用，實(shí)施打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)3年作戰(zhàn)計(jì)劃[13]。2018年7月，交通運(yùn)輸部發(fā)布《關(guān)于全面加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)堅(jiān)決打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的實(shí)施意見》(交規(guī)劃發(fā)〔2018〕81號(hào))，明確重點(diǎn)加強(qiáng)柴油貨車、船舶、港口和交通路域等污染防治工作，要求打好柴油貨車等污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)，積極推進(jìn)交通運(yùn)輸生態(tài)文明建設(shè)。該意見中提到的柴油貨車污染治理措施仍集中在傳統(tǒng)手段上，缺乏顛覆性的技術(shù)和突破性的變革，難以從根本上解決問題。盡快試驗(yàn)、應(yīng)用電氣化公路運(yùn)輸系統(tǒng)這一可使車輛尾氣污染物“零排放”的新技術(shù)，對打好柴油貨車污染治理攻堅(jiān)戰(zhàn)意義重大。同時(shí)建設(shè)電氣化公路，能夠促進(jìn)道路運(yùn)輸能源消費(fèi)調(diào)整，對我國能源結(jié)構(gòu)產(chǎn)生積極影響，還能為智慧公路發(fā)展提供充足的電力保障。

2.3 順應(yīng)大型車輛電動(dòng)化發(fā)展趨向的一種現(xiàn)實(shí)技術(shù)途徑

大型車輛(尤其是重型貨車)電動(dòng)化是降低車輛尾氣污染物排放的一個(gè)重要技術(shù)手段。目前，世界各國都在不同程度地推動(dòng)大型貨車電動(dòng)化和清潔能源化。大型車輛電動(dòng)化主要技術(shù)瓶頸是如何降低車載儲(chǔ)能設(shè)備的體積和重量。電氣化公路運(yùn)輸技術(shù)則為大型車輛電動(dòng)化提供了一個(gè)現(xiàn)實(shí)可行的技術(shù)途徑，通過為在行駛中的大型車輛直接供電(充電)驅(qū)動(dòng)的方法，一方面可增大續(xù)駛里程，滿足長距離行駛需求；另一方面可顯著降低車載電池組重量和安裝空間需求并實(shí)時(shí)充電，滿足汽車超車和駛離電氣化公路后的短途行駛需要[14-15]。

3 我國建設(shè)電氣化公路可行性與成本分析

空中架線式電氣化公路運(yùn)輸系統(tǒng)主要包括公路上空的供電網(wǎng)，電氣化公路上行駛的混合動(dòng)力電動(dòng)貨車車輛，和混合動(dòng)力電動(dòng)貨車車輛車載受電弓控制裝置3個(gè)部分。

3.1 空中架線式供電網(wǎng)技術(shù)

架設(shè)在公路上空的供電線網(wǎng)，與城市無軌電車和電氣化列車上空的供電線路類似。德國西門子目前試驗(yàn)測試的供電線網(wǎng)采用的是600～750 V DC直流供電方式，技術(shù)成熟度高。我國已在城市公交和電氣化鐵路大規(guī)模建設(shè)類似的供電網(wǎng)線路，該技術(shù)比較成熟，且公路上方供電線網(wǎng)的建設(shè)對正常通行影響較小。

3.2 混合動(dòng)力貨車車輛技術(shù)

電動(dòng)車輛可通過新牽引車制造和舊牽引車改裝兩種途徑解決。牽引車可采用油電混合動(dòng)力系統(tǒng)或者純電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)，在駛離電氣化公路后采用柴油動(dòng)力或蓄電池模式驅(qū)動(dòng)。目前我國油電混合動(dòng)力和純電動(dòng)牽引車制造(改造)技術(shù)比較成熟。將類似電動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用到貨運(yùn)車輛技術(shù)可行性比較高。

3.3 車載受電弓控制技術(shù)

車載受電弓控制裝置是電氣化公路運(yùn)輸系統(tǒng)的核心裝置，安裝在混合動(dòng)力電動(dòng)貨車牽引車上方，在一定車速條件下司機(jī)可通過控制受電弓升降與公路上空供電線網(wǎng)連接或斷開。目前西門子試驗(yàn)測試的車載受電弓控制裝置最高允許車速為90 km/h。我國高速鐵路牽引車輛受電弓供電控制技術(shù)采用的也是類似技術(shù)，該技術(shù)較為成熟，我國具備自主研制車載受電弓控制裝置的能力。

3.4 電氣化公路設(shè)施建設(shè)成本

電氣化公路運(yùn)輸系統(tǒng)建設(shè)主要成本分為兩部分：一是公路上空架設(shè)的供電線路及其路側(cè)供配電設(shè)施建設(shè)成本，二是安裝受電弓控制系統(tǒng)的電動(dòng)(或油電混合)車輛的新增成本。

(1) 電氣化公路供配電設(shè)施建設(shè)成本分析。按照國內(nèi)現(xiàn)有材料、部件、人工成本等估算，電氣化公路運(yùn)輸系統(tǒng)供配電設(shè)施新建成本約850萬元/km，具體測算結(jié)果見表1。西門子公司目前開展的3條試驗(yàn)路段供電線路建造成本約為200萬歐元/km(約1 500 萬元/km)。電氣化公路系統(tǒng)供配電設(shè)施屬于公路沿線交通工程設(shè)施的一部分，可由電網(wǎng)公司或者高速公路公司出資建設(shè)，并通過收取供電服務(wù)費(fèi)收回建設(shè)成本并取得合理回報(bào)，還可通過碳交易獲得收益。

(2)電動(dòng)車輛及車載受電弓成本分析。針對電動(dòng)車輛制造的費(fèi)用主要有兩種：一是新車制造，二是舊車改裝。根據(jù)調(diào)研，受電弓與電動(dòng)車輛費(fèi)用估算如下：西門子目前的車載受電弓控制裝置改裝費(fèi)用約為5萬歐元/套(約35萬元/套)。也就是說，現(xiàn)階段利用現(xiàn)有大型車輛改裝費(fèi)用約為35萬元/輛。

表1 電氣化公路運(yùn)輸系統(tǒng)供配電設(shè)施建設(shè)成本估算Tab.1 Estimation of construction cost of power supply and distribution facilities for electrified highway transport system

國內(nèi)貨運(yùn)車輛電動(dòng)牽引車還沒有規(guī)?；a(chǎn)，目前價(jià)格一般在70萬元/輛(不含新能源補(bǔ)貼)。現(xiàn)階段若新制造一輛具備車載受電弓控制裝置的電動(dòng)牽引車費(fèi)用約為105萬元/輛。后期隨著推廣應(yīng)用和規(guī)?；a(chǎn)，集成車載受電弓控制裝置的電動(dòng)貨運(yùn)牽引車的制造成本會(huì)大幅度降低?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)貨運(yùn)牽引車新車購置費(fèi)用可由運(yùn)輸企業(yè)負(fù)擔(dān)，因?yàn)檫\(yùn)輸企業(yè)通過使用電氣化公路可以降低運(yùn)輸成本、取得額外經(jīng)濟(jì)效益。推廣初期，政府部門可通過新能源車輛補(bǔ)貼等政策鼓勵(lì)舊車改裝、新車制造，通過提高排放標(biāo)準(zhǔn)等促進(jìn)大型車輛電動(dòng)化的改裝、生產(chǎn)和使用。

4 電氣化公路運(yùn)輸成本分析

(1)僅考慮能源消耗成本，電氣化公路汽車運(yùn)輸成本比柴油和蓄電池汽車分別降低53%和55%。在不考慮供配電設(shè)施建設(shè)成本、購車新增費(fèi)用和車輛折舊條件下，電氣化公路車輛、傳統(tǒng)柴油車輛和蓄電池車輛的運(yùn)輸成本對比分析如表2所示。表2中電氣化公路車輛的額定載質(zhì)量取柴油車和蓄電池車均值9.5 t，原因是電氣化公路車輛相比柴油車增加了少量電池及電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，相比蓄電池車大幅減少電池重量，在總質(zhì)量一定的前提下，其載質(zhì)量介于柴油車和蓄電池車輛之間。

表2中電氣化公路車輛的滿載百公里能耗按蓄電池車能耗的95%取值，因?yàn)橄啾刃铍姵仄嚕姎饣奋囕v直接以高壓強(qiáng)電驅(qū)動(dòng)行駛，減少了電能儲(chǔ)存步驟。按照當(dāng)前行業(yè)水平，動(dòng)力電池的綜合充電效率約為95%，且電氣化公路車輛的驅(qū)動(dòng)方式與蓄電池車基本一致，其內(nèi)部電能轉(zhuǎn)化效率一致。

表2 三種車輛運(yùn)輸成本對比Tab.2 Comparison of transport costs of 3 vehicle types

注：1.傳統(tǒng)柴油車輛總質(zhì)量、額定載質(zhì)量數(shù)據(jù)取自中華人民共和國工業(yè)和信息化部《道路機(jī)動(dòng)車輛生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品公告》，滿載百公里能耗取自交通運(yùn)輸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 719對18 t車輛第四階段油耗限值規(guī)定；2.蓄電池車輛總質(zhì)量、額定載質(zhì)量和電池容量相關(guān)數(shù)據(jù)取中華人民共和國工業(yè)和信息化部《新能源汽車推薦目錄》，油/電費(fèi)用取自當(dāng)前行業(yè)平均充電價(jià)格。

表2中電氣化公路車輛的電費(fèi)取當(dāng)前工業(yè)用電峰值電價(jià)，暫未計(jì)算充電服務(wù)費(fèi)。從表2可知，在百公里燃料成本方面，傳統(tǒng)柴油車輛約為158元，蓄電池車輛約為150元，電氣化公路車輛百公里能耗成本最低，約為71元，比傳統(tǒng)柴油車輛和蓄電池車輛分別降低55%和53%；按百噸公里能耗成本計(jì)，柴油車輛約為15.8元，蓄電池車輛約為16.67元，電氣化公路車輛運(yùn)輸成本仍為最低，約為7.47元，比傳統(tǒng)柴油車輛和蓄電池車輛分別降低53%和55%。

(2)考慮受電弓及供配電設(shè)施綜合成本，電氣化公路車輛運(yùn)輸成本比傳統(tǒng)柴油車輛和蓄電池車輛分別降低32%和28%。

①車載受電弓成本。德國西門子車載受電弓目前的加裝費(fèi)用約為5萬歐元/套(約35萬元/套)。按使用年限8年，月均行駛里程15 000 km計(jì)算，車載受電弓的百公里成本為：35萬元/144萬km=24元/100 km。

②供配電設(shè)施成本。公路電氣化供配電設(shè)施建設(shè)成本約850萬元/km，按運(yùn)營年限25年，路段車流量7 800輛/天，25年共計(jì)通過車輛數(shù)25年×365天×7 800輛/天=7 117.5萬輛。故供配電設(shè)施建設(shè)成本折合到每輛車上為11.9元/100 km。電氣化公路車輛百公里電耗為71.3 kW·h，將供配電設(shè)施建設(shè)成本折合到運(yùn)營時(shí)的電力服務(wù)費(fèi)上，則為11.9/71.3=0.17元/kW·h。

由表3可知，電氣化公路供配電設(shè)施費(fèi)用折合為電力服務(wù)價(jià)格僅為0.17元/kW·h，遠(yuǎn)小于現(xiàn)階段蓄電池車輛0.8元/kW·h的充電服務(wù)費(fèi)價(jià)格。綜合車載受電弓以及供配電設(shè)施建設(shè)費(fèi)用，電氣化公路車輛百公里成本為：71.3元(能耗成本部分)+24元(車載受電弓成本部分)+11.9元(供配電設(shè)施成本部分)=107.2元，較僅考慮電耗成本時(shí)增加了50%，但仍低于傳統(tǒng)柴油車輛以及蓄電池車輛的運(yùn)輸成本。鄭澤東副教授認(rèn)為在85 km/h的速度條件下，將燃油驅(qū)動(dòng)更改為電驅(qū)動(dòng)后，運(yùn)營成本會(huì)大大降低，該重卡若一年行駛20萬km，運(yùn)營成本可以節(jié)省約18.8萬元[14-16]。

表3 考慮車載受電弓及供配電設(shè)施時(shí)三種車輛運(yùn)輸成本對比Tab.3 Comparison of transport costs of 3 vehicle types considering on-board pantograph and power supply and distribution facilities

注：括號(hào)內(nèi)為考慮車載受電弓以及供配電設(shè)施建設(shè)費(fèi)用百公里能耗成本。

5 我國建設(shè)電氣化公路的優(yōu)勢分析

5.1 技術(shù)優(yōu)勢

我國具有大規(guī)模電氣化鐵路建設(shè)和運(yùn)營管理經(jīng)驗(yàn)，具備自主制造電氣化公路運(yùn)輸系統(tǒng)受電弓控制裝置的能力。從技術(shù)成熟度、可靠性和國外試驗(yàn)路段實(shí)施效果來看，我國具備建設(shè)電氣化公路運(yùn)輸試驗(yàn)段的基本條件。此外，在現(xiàn)有公路上架設(shè)電氣化公路運(yùn)輸系統(tǒng)供配電設(shè)施，施工中無需完全阻斷交通，對社會(huì)負(fù)面影響較小，有利于工程實(shí)施。

5.2 體制優(yōu)勢

從我國落實(shí)重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)管理體制機(jī)制來看，相比歐美等國，我國善于集中力量辦大事，在技術(shù)集成創(chuàng)新、示范應(yīng)用、投資建設(shè)和政策實(shí)施方面具有歐美等國無法比擬的體制優(yōu)勢，工程項(xiàng)目具有決策周期短、施工快的特點(diǎn)，使我們完全有能力率先在一個(gè)較短時(shí)期內(nèi)建成一定規(guī)模的電氣化公路運(yùn)輸系統(tǒng)，成為又一個(gè)“世界第一”，成為我國交通強(qiáng)國的又一標(biāo)桿。

5.3 可利用市場化手段解決建設(shè)成本優(yōu)勢

由表2和表3測算可知，僅考慮能耗成本，電氣化公路車輛運(yùn)輸成本比傳統(tǒng)柴油和蓄電池車輛分別降低53%和55%；考慮車載受電弓及供配電設(shè)施綜合成本，電氣化公路車輛運(yùn)輸成本比傳統(tǒng)柴油和蓄電池車輛分別降低32%和28%。因此，企業(yè)有動(dòng)力參與投資和建設(shè)電氣化公路運(yùn)輸系統(tǒng)，推進(jìn)電氣化公路運(yùn)輸系統(tǒng)商業(yè)化具備市場條件。隨著規(guī)?；l(fā)展，電氣化公路運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)輸成本尤其是車載受電弓生產(chǎn)成本還會(huì)大幅降低。

6 電氣化公路建設(shè)適用場景與污染物減排貢獻(xiàn)分析

6.1 電氣化公路建設(shè)適用場景

當(dāng)前，交通運(yùn)輸行業(yè)正在加快推進(jìn)綜合交通運(yùn)輸體系建設(shè)，優(yōu)化交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)，統(tǒng)籌各種運(yùn)輸方式協(xié)同融合發(fā)展，全面提升綜合運(yùn)輸服務(wù)能力水平。經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展促使我國物流貨運(yùn)規(guī)模逐年增加，長途大宗物資“公轉(zhuǎn)鐵”、“公轉(zhuǎn)水”，使得重卡短駁貨運(yùn)應(yīng)用場景需求爆發(fā)，這些短駁貨運(yùn)道路連接貨運(yùn)場站和鐵路碼頭，路線相對固定，貨運(yùn)車輛相對密集，且大都是中短途重載運(yùn)輸[17-18]。因此，比較適合建設(shè)電氣化公路示范段，適用場景歸納如下：

(1)疏港公路?？蛇x擇重型貨車交通量大、尾氣排放污染嚴(yán)重的港口到鐵路貨運(yùn)站、物流場站的疏港貨運(yùn)集散通道進(jìn)行建設(shè)試驗(yàn)。

(2)煤運(yùn)通道。以中短途貨運(yùn)為主，具有重載、運(yùn)量大等特點(diǎn)?？蛇x擇連接煤礦與鐵路貨運(yùn)站、港口碼頭、火力電廠和物流場站等以煤炭運(yùn)輸為主的公路進(jìn)行建設(shè)試驗(yàn)。

(3)貨運(yùn)通道。在污染防治減排壓力大的京津冀、長三角和珠三角等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，選擇重型貨車流量大的高速公路外側(cè)行車道進(jìn)行建設(shè)試驗(yàn)，支撐城市綠色貨運(yùn)車輛可持續(xù)發(fā)展。

(4)客運(yùn)班線密集路段。可選擇大城市群集聚區(qū)域的客運(yùn)班線密集公路進(jìn)行建設(shè)試驗(yàn)，電氣化公路技術(shù)也適用于大型客運(yùn)柴油車輛。

6.2 污染物減排貢獻(xiàn)預(yù)測分析

選取近3年大型車輛流量較大的國道和高速公路1，5萬km和10萬km的路段進(jìn)行測算分析。依據(jù)選取2017年統(tǒng)計(jì)較繁忙路段的大型運(yùn)輸車流量，測算應(yīng)用電氣化公路運(yùn)輸系統(tǒng)后每年NOx和PM2.5污染物減排效果，見表4。

表4 電氣化公路減排貢獻(xiàn)預(yù)測分析Tab.4 Prediction and analysis of contribution of electric highway to emission reduction

注：1. 以上路段和區(qū)域路網(wǎng)大型車輛近三年年均交通量來源《2015國家干線公路交通情況分析報(bào)告》，《2016國家干線公路交通情況分析報(bào)告》和《2017國家干線公路交通情況分析報(bào)告》；2.2017年 較繁忙路段長度、車型比例和交通量來源《2017年國家干線公路交通量手冊》和《2017國家干線公路交通情況分析報(bào)告》；3.測 算以滿載≥18 t貨車和大型客車為例，行駛速度按80 km/h計(jì)，日均行駛里程按500 km計(jì)，車輛尾氣排放依據(jù)《城市機(jī)動(dòng)車排放空氣污染測算方法》(HJ/T180—2005)中對應(yīng)車型進(jìn)行測算。表4預(yù)測分析結(jié)果可看出，電氣化公路運(yùn)輸規(guī)模化建成使用，能從根本降低柴油車輛尾氣污染物排放，助力我國污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)和國家打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)。

7 結(jié)論

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和公路網(wǎng)里程結(jié)構(gòu)的日益增長和完善，公路貨運(yùn)需求不斷增長的同時(shí)，公路貨運(yùn)能耗也不斷增加，在公轉(zhuǎn)鐵運(yùn)輸沒有覆蓋的公路短途貨運(yùn)比較密集的疏港公路路段、煤運(yùn)通道路段、貨運(yùn)通道路段和客運(yùn)班線密集的大型柴油客貨運(yùn)車輛路段，建設(shè)電氣化公路運(yùn)輸系統(tǒng)，可從根本上支撐交通運(yùn)輸行業(yè)打好柴油貨車等污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)，支撐我國公路柴油大型貨運(yùn)車輛電動(dòng)清潔能源化發(fā)展，為我國公路柴油貨運(yùn)車輛尾氣污染物減排和藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)提供一種全新的技術(shù)思路。