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电气化公路正在走来 ——引领未来的单弓双接触线电动车万向充供电系统 引言：多接触线多相整流交错换向式受电弓通过交错换向式受电滑板与多相整流器的换向和整流作用，迫使接触线传输的电流被分离到直流母线的正负极线路上，其优势在于电子换向抗短路，受电弓对线快捷，可靠性高。一是解决了胶轮电动车单受电弓、双接触线下可靠充供电的技术难题，实现充电桩通用化；二是解决了电动车充电接口兼容性问题，实现驾驶员不下车、升弓即充电，多相整流受电弓供电无方向性，可简化充电设备，实现建一个固定充供电网可同时向多台电动车供电的难题，成本极低；三是解决了电动车移动充电的技术难题，电动车可边行驶、边充电，特别有利于使用安全性较高的磷酸铁锂电池、钛酸锂电池、刀片电池的电动车实现即充即用。“多相整流受电弓——共享充供电网”系统是成本最低、可靠性最高的共享充电桩，只需两根充电线，就可解决无数电动车辆的充电问题。在公路边，在街道旁，在停车场，架设两根充电线，电动车可能随时充电，电动车再无充电焦虑。  多接触线多相整流交错换向式受电弓 一、困扰电动车充供电的百年难题终被解决——引领未来的单弓双接触线供电系统 目前制约新能源电动车发展的技术痛点是：现有充供电技术不足以支承电动车长距离行驶需求。然而，预计2025年-2030年间国际国内将逐步停止生产销售传统能源汽车，代之以新能源汽车，所以这个问题必须尽快解决。 为追求长续航力有两个办法：一是简化充电机构，构建能够方便、快捷充供电且低成本、易普及的共享“受电弓-接触网”技术；二是提供大容量储能装置，引入氢能源技术（需要高压储氢）和使用大容量锂电池（需要钴等稀有金属）。前者可行，但需引入新技术；后者因氢气和三元锂电池易燃易爆极危险，且价格昂贵，难以大规模推广。 为解决电动车充供电技术及续航问题，研发人员和企业更倾向于使用在电气化铁路和城市轻轨上广泛应用的“受电弓-接触网”技术。但是，现有无轨电动车所采用的“受电弓-接触网”技术尚无法解决：在双接触线供电条件下，受电弓如何可靠对线入网问题。由于无轨电动车没有固定路权，在没有地面钢轨“导向和配合供电”的前提下（胶轮驱动），可能导致电动车行驶方向随时大幅度偏离接触线安装方向，同时现有受电弓的导电滑板在跟踪两根或两根以上接触线还存在技术障碍，这就容易引发导线短路事故。  应用机电换向方式的多线交错换向式共轨受电弓 目前，“多线交错换向式共轨受电弓”使用机电式换向方式已经初步解决单弓、多接线供电问题，但是还存在换向时供电脉动性较大的问题。因此，采用电子换向的“多接触线多相整流交错换向式受电弓（以下简称：多相整流受电弓）”继续演进，最终解决电动车移动充供电问题，多相整流受电弓是新能源电动车核心技术的关键一招。 二、移动充电——电气化公路、电气化街道助力远行 多相整流受电弓技术旨在通过交错换向式受电滑板与多相整流器的换向和整流作用，以及每个交错换向式受电滑板1单独连接一组整流器件的技术方案，利用整流器件和绝缘件3的隔离作用，迫使接触线6传输的电流被分离到直流母线2正负极线路上，实现电动车可在行驶工况和驻车工况下正常充供电。  多接触线多相整流交错换向式受电弓的受电弓头结构示意图  九相双线式多相整流受电弓模型在剧烈运动中从双接触线可靠充供电（测试状况下）  1.6米17相整流受电弓全尺寸样品 这种应用电力电子技术进行整流换向的新型“受电弓-接触网”技术，能够保证受电弓同时跟踪多条接触线，电动车充电窗口宽，防短路，电流换向无冲击，机械特性好、强度高，同时制造方便、成本低，便于系统集成、系统维护和大规模安装使用。电动车应用多相整流受电弓技术，即便车主快速变道，或快速切入切出双线接触网，也不会引起短路事故。 三、充供电技术的革命性演进成果——受电弓和接触网将走向公路和街道 为解决电动车充供电技术及续航问题，技术研发人员已经采取一系列措施来提高电动车性能，但是效果都不好，因此研发人员备受用户和企业的责难。 1、有轨电动车方案，这个方案既需要“路权”，基建成本又太高，是小众方案。
 实验中的成都蓉新二号（因基建成本高，布线困难，换乘不便，市民反映强烈）  老式的有轨电动车（已基本退出市场，正等待新技术改造） 2、集电杆-平行双接触线方案，应用“U型”集电靴刚性连接接触线，集电杆对线入网困难，事故率极高，现已经基本退出市场。
 集电杆（刚性连接接触线，容易拉落接触线，仅杭州少数城市使用，正待新技术改造） 3、大容量动力电池和快速充电方案由于电池容量大、充电功率高，容易引发爆燃事故，也无法实现省际间长距离行驶，在国家政策性补贴退坡后将被边缘化。 
 电池容量越大、充电功率越高，越容易引发爆燃事故 4、道路无线充电方案，这个方案仅在小范围试点，由于基建成本太高，电力传输效率和传输功率太低，也只能在小范围和特定场合使用，是小众方案中的小众产品。 道路无线充电 5、快速换电池方案，由于经常性更换电池，导致动力电池维护的成本极高，不适合大范围应用。 快速换电池 四、多相整流受电弓的巨大技术优势将引领的电动车发展新方向 从长期实践看，应用于有轨电车并逐步走向成熟的“受电弓-接触网”技术，才是推动电动车发展的重要技术演进方向：一是不用建设大型充电站，从而节省了土地资源、地面充电设备及充电站后勤保障等费用; 二是电池采用浅充浅放模式，大大延长了电池的使用寿命;三是车载电池数量少，可以降低一次性购买电池成本和后期电池运行成本，提高车辆的运营效率和节能效果；四是通过共享接入无轨电车线网，资源利用率极高，凡符合技术规范的无轨电车均可共用线网资源行驶。 实用化的“受电弓-接触网”要求受电弓的充电窗口要宽（充电窗口宽度应不小于机动车道宽度的60%）、抗短路能力要强（受电弓与接触网任意角度接触均不出现短路情况），这对于有轨电车来说是能够解决的，对于无轨电车就需要应用新技术来解决。 （一）为此人们研发并部署了多种站区充电式无轨电车系统及新型受电弓，但是这些使用传统机电技术的受电弓还存在充电窗口窄、通用性差、适用范围窄、安全性不高的缺点，仍未获得决定性成果。 使用受电弓技术的站区充电式无轨电车系统（进站升弓，离站降弓，定位对线仍然困难） SWJ-21型双线受电式无轨电车集电弓（缺点是受电窗口太窄，充电不易） 智能轨道快运列车（智轨，也受限于充供电技术，发展缓慢） 值得注意的是：国外政府和企业也正投入巨量财力和人力改进“受电弓-接触网”充供电技术，例如瑞典政府和西门子公司等相关高科技企业正在开展合作，已花费数年时间共同开发了一种利用高架线给电动卡车供电的新技术。但是，这种技术尽管使用了高成本的光电设备和计算机智能控制系统，受电弓的受电窗口太窄，受电弓仍然对线困难，可靠性还有待进一步提高，尚处实验状况。
西门子公司在瑞典实验利用高架线给电动卡车供电 （二）传统受电弓无换向能力，不能低成本高可靠受电 以上海交大站区充电式无轨电车系统及新型受电弓和西门子公司高架线电动卡车供电系统为例，他们的受电弓滑板长约1米、接触线宽约1.5米，考虑到安全性和可靠性问题（传统受电弓无接触线换向功能和防短路功能，为防止短路，受电弓滑板应小于接触线宽度），因此受电弓的有效受电窗口约为0.8米，计算办法：受电弓滑板长度1米减去有效绝缘区宽度0.2米，即: 1-0.2＝0.8米 因传统受电弓无换向功能，仅能在单个受电弓滑板宽度内滑动受电传统受电弓，标准机动车道宽3.5-3.75米，因此传统受电弓的有效受电窗口仅占机动车道宽的22.3%（0.8/3.5=22.3%），其受电可靠性极低。 当电动车行驶在公路或城市道路时，电动车可能随时左右横向移动2-3米（远大于传统受电弓仅0.8米的有效受电窗口），所以电动车传统受电弓对线困难，受电弓难以可靠跟踪双接触线。 （三））双线交错换向式充电的演进路线是最为可靠、可行的技术 改进并完善现有无轨电动车“受电弓-接触网”技术是非常有必要的，于是多相整流受电弓技术就应时而生。沿着这个技术路线，“多线交错换向式共轨受电弓”率先实现低成本双接触线供电，但是“多线交错换向式共轨受电弓”是机电换向，存在换向时电流冲击大的缺点，因此多相整流交错换向式受电弓演进为“电子换向”，最终实现低成本高可靠供电。
实验中的1.6米17相整流受电弓全尺寸样品 上图为1.6米17相整流受电弓实例，适用于小型车辆（车宽约1.6-2米），预设接触线宽0.4米，其有效受电窗口为2.8米，计算办法：两倍受电弓滑板长度（2×1.6米=3.2米）减去接触线宽0.4米，即： （1.6×2）-0.4＝2.8米 多相整流受电弓的受电滑板能够换向受电，可用到受电弓两倍宽度的滑动受电区域，标准机动车道宽3.5-3.75米，多相整流受电弓的有效受电窗口占机动车道宽的80%（2.8/3.5=80%）。 所以，多相整流受电弓能够可靠跟踪接触线，从而有效解决电动车横向位移问题（如下图所示，多相整流受电弓通过整流和换向，保证行驶中的电动车能够可靠的从接触线充供电）。
处于车道正中的多相整流受电弓——行驶中的电动车
处于车道左侧的多相整流受电弓——行驶中的电动车
处于车道右侧的多相整流受电弓——行驶中的电动车
在大倾斜角度状态下充供电多相整流受电弓——行驶中的电动车
在大倾斜角度状态下充供电多相整流受电弓——行驶中的电动车 （四）对于客车及货运车辆，其车宽约2-2.5米，如果使用2.2米多相整流受电弓，假设接触线宽0.4米，其有效受电窗口为： （2×2.2）-0.4＝4米 该受电窗口数值已经远大于车道宽度，其有效受电窗口占机动车道宽的114%（4/3.5=114%），由于该受电窗口数值已经大于车道宽度表明该受电窗口已经出现过盈量（由此增加了14%冗余备份），能够100%保证电动车在标准车道行驶时准确跟踪到接触线。 所以，由于多相整流受电弓抗短路能力强，其安全性和可靠性极高，一是解决了胶轮电动车难以在单受电弓、双接触线下可靠充供电的技术难题；二是解决了电动车充电接口兼容性问题，由于多相整流受电弓无方向性，可简化充电设备，实现建一个固定充供电网可同时向多台电动车供电的难题；三是解决了电动车难以移动充电的技术难题，电动车可边行驶边充电。特别有利于解决安全性较高的磷酸铁锂电池、钛酸锂电池、锰酸锂电池需要即充即用的技术问题。 多相整流受电弓将首先应用于已经电动客车（特别是站区电动车）及电动货运车辆，然后再应用于乘用车领域，不仅有利于促进三元锂电池等高性能电池销量增长，还特别有利于已经大量使用磷酸铁锂（循环寿命长、安全性高、成本低、环保）、钛酸锂、锰酸锂的电动车相关企业，继续在特定领域保持领先优势。
常见车辆宽度 多相整流受电弓不仅能解决胶轮电动车充供电问题，还可应用于有轨电车（或电气化铁路），实现三相工频交流电直接为电车供电，其中三相工频交流电的AB两相为架空接触网供电，C相由铁轨供电，由于简化了供电系统，从而大幅度降低基建和供电成本。应用多相整流受电弓技术，传统的有轨电车还可升级过渡为胶轮无轨电车，不仅可以简化供电系统，提高电车对各种道路的适应性，降低车辆购置成本和运营成本，还能节约基建成本，大幅缩短施工期，为广大市民提供一种绿色出行方式。 五、远景——曙光初现的电气化公路和电气化街道 基于多相整流受电弓技术可首先应用于的纯电动公交车，在简化计费系统后，可建成“共享充供电接触线网络”示范线。
双源纯电动公交车移动充供电 双源纯电动公交车已经在全国大面积普及，最明显的例子就是深圳，深圳作为世界上新能源汽车最多的城市，目前已经实现了公交车几乎100%电动化，出租车90%电动化，网约车、物流车电动化比例也很高。在深圳的街头行走，或在公交车站等车，已经闻不到浓烈的汽车尾气。 多相整流受电弓可首先用于解决纯电动公交车移动充供电问题，通过建立共享移动充供电网（行驶充电，边走边充）和固定充供电网（停车充电，即停即充），之后，所有电动车都可接入共享充电网中，多相整流受电弓能够方便为电动车提供低成本、高可靠的充供电解决方案，从而解决电动车实用化和大规模普及化的最后一米问题。至此，在电气化公路和电气化街道建成之后，无处不在的分段供电接触网将通过多相整流受电弓传输电力，电动车再无里程焦虑。 “多相整流受电弓——共享移动充供电网方案（行驶充电）”，通过具有较长分段供电能力的公路型接触网，可解决电动车长距离行驶问题（边走边充）；“多相整流受电弓——固定充供电网方案（停车充电）”，通过具有较短供电线路的街道型接触网，可解决电动车停车（或应急）自动充电问题（即停即充，智能充电）。两种供电方案的基建成本都比较低，有利于电力企业和充电企业低成本部署共享充电网，可解决低成本共享充电问题（可供多辆电动车共享接触网、同时充供电，用户无需人工操作，电动车可自动升降多相整流受电弓就可完成充电过程）。 “多相整流受电弓——共享充供电网”系统是成本最低、可靠性最高的共享充电桩，只需两根充电线，就可解决无数电动车辆的充电问题。在街道办，在停车场，在公路边，架设两根充电线，电动车可能随时充电，电动车再无充电焦虑。
多辆电动车利用多相整流受电弓从共享充供电接触网中充供电 在我国率先于全球建成一条基于多接触线多相整流交错换向式受电弓技术的“共享充供电接触线网络”示范线路后，电力企业和新能源电动车企业将锻造一批技术精英和产业工人，并引爆新的电力投资渠道。 随着自主知识产权的多相整流受电弓逐步推广至长途运输车辆和家用车辆，“共享充供电接触线网络”大规模普及，电动车就能够从随处可见的路边供电接触线下进行充电，那时电动车的成本和销售价格将迅速下降，也许不用到2030年，随着新技术和能源利用水平的大幅度提高，世界将提前普及电动车。 完善“多相整流受电弓——共享充供电接触线网络”，电动车制造商和电力提供商将首先受益，伴随着销售量的剧增，以及大幅基建投入，将创造出巨量财富和巨量就业机会，新能源电动车产业将创造出绿色节能性社会，还我们一片绿水青山。 截至2018年底，我国发电总装机容量约18.99亿千瓦，全国全口径发电量6.99万亿千瓦时，汽车保有量直逼2.4亿辆（每辆车功率平均50千瓦）。预计到新能源电动车崛起之时，假设2.4亿辆汽车中仅有十分之一处于充供电状况，其功率也将高达2.4×50÷0.1=12亿千瓦，到那时我国发电总装机容量将会剧增。所以，电力企业和新能源电动车企业将是最大的新能源电动车受益者，同时也将带来巨量的就业机会。 作 者：西海之滨，工程师 |
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