综述：采用电动道路技术和能源系统实现市政电动公交车电气化

《Energies》：Adopting Electric Road Technologies and Energy Systems for the Electrification of Municipal Electric Buses

　　

道路运输的电气化已被广泛提出作为一种可行的策略，以减少对化石燃料的依赖以及传统动力机动车辆的环境影响。这一策略导致城市中电动汽车（EV）的采用增加，例如电动汽车、电动公交车（e-buses）、电动卡车（e-trucks）等，因为它们更具可持续性。针对车辆电气化的举措有助于实现可持续交通。其中一项举措是开发电动道路系统（ERSs），该系统使道路能够在车辆行驶时为其提供电力。ERSs的部署已发展成为解决阻碍电动汽车采用问题的替代方案，例如充电时间长、成本高、续航里程短等。因此，本文探索文献以了解如何确保未来电动道路技术和系统部署在市政中的可靠和安全运行。本研究考察ERSs如何在不完全依赖电池的情况下为电动公交车供电。此外，本文分析了影响道路运输电气化的技术、法律、政治、经济和社会因素。基于文献，本研究表明ERSs为重型运输（如电动公交车和电动卡车）的电气化提供了成本效益高的选择。该研究为道路管理机构、市政当局和政策制定者提供了改进ERS部署策略的见解，确保在实现道路运输脱碳的同时实现可持续交通。

本文通过叙述性文献综述，探讨了电动道路系统（ERSs）在市政电动公交车电气化中的部署。论文主体部分首先介绍了道路运输部门的电气化背景，指出运输部门占CO₂排放的约23%，预计到2030年将增至50%。电气化可通过静态充电、电转燃料（如氢或甲醇）以及ERSs实现。ERSs是一种物理道路，能在车辆静止或行驶时动态传输电力，从而减少对大型电池的依赖。ERSs的基本部署包括车辆充电系统、电网和道路基础设施，全尺寸部署则包含五个主要子系统：电力供应、道路基础设施、车辆接口、通信系统和计费管理。电力从区域电网通过变电站变换电压，经整流器转换为直流电（DC），通过电缆传输至道路侧电源箱。ERSs可部署为接触式（导电）或非接触式（感应）技术，由多个利益相关者推动，如技术提供商、道路管理机构、电力公司和政策制定者。

在市政环境中的重要性方面，ERSs支持动态充电，即车辆行驶时连续供电，从而减少电池重量和尺寸。对于电动公交车（e-buses），ERSs允许在行驶中充电，无需停车，节省时间并消除续航里程问题。ERSs适用于至少两条车道的道路（如高速公路），可安装在连接高人口密度区域的主要路网上，适合速度超过50 km/h的长途行程。对市民而言，ERSs可降低出行时间和车辆运营成本，并减少温室气体排放。

关于市政电动公交车充电的应用与挑战，ERSs使用接触式或感应式（非接触式）充电系统为重型运输供电，可同时为多辆电动车充电，避免排队。ERSs帮助市政减少电池尺寸和重量，但需要前期投资用于大规模基础设施。例如，斯堪尼亚测试了配备18 kWh电池组的受电弓系统，西门子测试了eHighway双极接触网系统。现有研究主要关注技术集成、基础设施需求和环境影响，但技术-社会-经济方面尚未充分探讨。此外，存在标准化、商业模式、技术兼容性等问题。ERSs可能干扰现有道路结构，如架空接触网线需要在路侧安装支柱和电缆，可能影响驾驶条件。

在电动车充电技术综述中，ERSs分为静态充电和动态充电。动态充电可通过接触式（架空接触网、内置导电轨、路面导电轨、路侧导电轨）或感应式（无线地面供电）实现。接触式充电提供更高功率（数百千瓦），但安全性挑战更大；感应式充电通过设计实现电气隔离，提高安全性，但功率较低。架空接触网技术是目前最成熟的ERS，基于铁路经验，已在瑞典、德国、美国测试，技术就绪度（TRL）为8级。该系统通过安装在车顶的受电弓连接架空电缆，为重型运输供电，但无法用于电动汽车，且存在视觉影响、冬季冰雪堆积、材料成本高等问题。内置导电轨技术通过路面下的导轨和车辆底部的拾取臂传输电力，已在瑞典隆德和斯德哥尔摩测试，可服务不同尺寸的车辆，但面临冬季冰雪、道路结构干扰等问题。路面导电轨技术将导轨固定在路面表面，兼容所有车型，但需大量道路改造，降低路面寿命，存在安全风险。路侧导电轨技术将充电臂置于车辆侧面，维护简单，但对行人和骑行者有危险。感应式充电技术通过磁场感应传输电力，分为感应电力传输（IPT）和电容电力传输（CPT）。IPT使用发射线圈和接收线圈，通过高频振荡产生电磁场（EMF）；CPT使用电场在金属板间传输，适合短距离。IPT已在瑞典哥特兰测试，但面临高改造成本、低传输效率、电磁辐射等问题。即便如此，IPT被视为未来无缝集成自动驾驶汽车的前瞻性解决方案。

感应电力技术的部署方面，IPT系统将电网电力转换为高频交流电（AC），在发射线圈中产生交变磁场，被车辆接收线圈感应，实现非接触式电力传输。感应充电包含三个关键组件：路侧组件（变压器、电网连接、逆变器、ICT设备）、道路组件（发射线圈、电力电缆）和车辆组件（接收线圈、控制电子、OBU）。车辆必须配备电动驱动组件（电动机、HVAC、电池）。无线电力传输（WPT）通过大气或真空空间无需电线传输电力。

影响感应电力技术集成因素方面，感应电力技术面临法律、政治、技术、经济和社会挑战。技术因素包括线圈对准公差、高功率密度需求、同步问题（速度、通信速度、横向对准），目前感应系统主要适用于80-100 km/h速度，但电动公交车通常时速90 km/h，而乘用车可达120-130 km/h，感应系统功率通常仅20 kW，需提升功率和效率。互操作性（interoperability）是功能需求，但当前感应和接触式系统均缺乏互操作性，标准化仍处于早期阶段（如IEC 61980、ISO 15118标准）。其他问题包括知识产权（IPRs）、安装深度、ERS几何形状、电磁要求、道路施工（如线圈安装可能引起路面开裂、冬季维护困难）。成本因素包括电池尺寸减小带来的节省与充电设备安装成本之间的权衡，研究显示每公里ERS车道需约100万美元。此外，需要支付系统管理费用，电费由路网运营商设定。健康与安全问题涉及高频磁场，需评估触电风险。立法方面，现有法规可能构成障碍，包括车辆审批、道路安全、消防、环境保护等，不同国家立法不同。EMF可能干扰通信基础设施和医疗设备。道路施工挑战包括线圈完全嵌入路面，需了解路基结构，避免水分影响效率，传输效率介于70%至95%之间。

讨论部分指出，ERSs有助于克服电池技术限制和续航焦虑，改善空气质量、减少温室气体足迹、降低运营成本、减少噪音振动。研究识别了所需技术，并探讨了法律、政治、经济、技术、社会视角对集成的影响。研究发现，ERSs在连接高人口区域的主要道路上可大幅减小电池尺寸，但需考虑互操作性、维护、高能量需求等问题。需提供安全法规，改善数据安全。此外，感应电力技术可产生净正面社会经济收益，通过减少排放和运营成本实现脱碳目标。研究意义在于，ERSs可促进电动公交车、电动卡车等重型运输的采用，减少车辆重量，弥补纯电池电动车能量流研究中的空白，并解决复杂工程设计问题。感应电力技术可提供经济激励，但需优化算法解决充电路段规划问题。该研究有助于推动公共交通、出租车、网约车的电气化。

结论、局限与未来工作部分重申了ERSs通过感应电力技术实现市政电动公交车电气化的潜力，但限制在于未进行模拟或实际部署，且基于二手数据。未来工作将探索城市公交路线、站点、交叉口、混合交通、速度和维护等方面的可用性、安全性和可靠性，并收集一手数据进行模拟实验。还需研究公众接受度、规划优化，并提供更多技术细节（如效率值、成本比较）以及定量成本效益分析。尽管存在局限，本文强调了ERSs在市政电动公交车电气化中的重要缺口。