读者投稿｜电子换向受电弓原理与应用——电气化公路的关键性技术

在1885年德国卡尔·本茨制造出世界上第一辆汽油动力汽车之前， 1882年德国维尔纳·冯·西门子已经先行发明了世界首辆无轨电车和供电接触网——这就是电气化公路的始祖。不过受限于技术和需求，电气化公路发展缓慢。直到新世纪来临，世界面临石油紧缺和环境保护压力，能源和汽车技术再次迎来变革，西门子公司于2015年在瑞典试行电气化高速公路（eHighway），标志着现代电气化公路再次成为新能源汽车时代的重要技术方向。

全球首条无轨电车展示图

电动车供电有两种路线：路线一，在行驶过程中使用受电弓从电网取电，直接传输给电机驱动电动车；路线二，在停车状况下先使用受电弓（充电枪）从电网取电，然后暂存在电池中，再传输给电机驱动电动车。

第一种路线是“标准电气化公路方案”，能源利用率高，可实现受电弓对位充电，总体成本低，没有充电桩不足之忧；第二种路线是“间接电气化公路方案”，需要增加中间储能环节，难于实现自动对位充电，既增加成本和降低能源利用率，又受限于充电桩数量不足和锂、镍、钴资源紧缺之影响，当电动车大量普及时就难于满足低碳和环保的要求。由于“标准电气化公路方案”能够大幅减少锂电池的使用量，是未来新能源电动车最终发展方向，能够实现真正意义上的电气化公路，但是“标准电气化公路方案”的受电弓对位困难、充电困难，需要改良受电弓技术以适应于现代社会发展需要。

三种电气化公路方案比较表

综上，电气化公路的关键性设备是受电弓供电系统，制约电气化公路100年多发展的短板是受电弓技术。为解决电气化公路成本和可靠性问题，许多电动车公司都在努力，特斯拉公司在研发电动卡车系统，中车株洲公司研发了中车智轨，西门子在eHighway系统使用带视频跟踪的双弓双线系统来保障电动车行驶充电（eHighway双弓受电系统还存在受电弓窗口窄、成本高、可靠性不足的问题）。

电子换向式受电弓

胶轮电动车的橡胶轮胎是绝缘的，其在行驶过程中使用两个受电弓从两根电力接触线低成本持续取电是跨越两个世纪的技术难题，主要原因是：电流需要形成回路，但是胶轮电动车在运动中同时让两个受电弓和两根电线保持有效接触是相当困难的。要解决这个问题，最好的办法就是使用一个受电弓从两根电力线上取电——在100多年前整流元件还比较落后的情况下来实现这个技术是极其困难的。

不过，在21世纪电力电子技术高速发展和双碳目标之下，使用新技术让一个受电弓从两根电力线上取电是可能实现的。从直流电机换向器原理出发，在一个受电弓上安装多个受电滑板，通过滑板换向复用，让一个受电弓上的多个受电滑板交替换向受电，来虚拟“双弓-双线”受电，从而实现电动车的“单弓-双线”受电，这就是机电式交错滑板换向共轨式受电弓原理，这个办法虽然可行，但是仍然存在电流换向脉动大的缺点。

在此基础上，改良换向方式，使用电子换向、滑板复用、多相整流，让每一个滑板单独转接一组整流器，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，从根本上解决了换向电流脉动大的问题。电子换向受电弓优势在于受电弓对线快捷、电子换向电流无冲击、抗短路、可靠性高，一是解决了胶轮电动车在单受电弓、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，可实现自动对位充电，在简化充电设备后一个充供电网可同时向多台电动车供电；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，电力供给稳定、恒久，电动车的续航、充电、成本问题得到彻底解决。

电子换向受电弓电气原理图

17相整流电子换向受电弓实物图

电子换向式受电弓可首先用来升级改造中车智轨和西门子电气化高速公路（eHighway），然后将该技术用于电动卡车和电动客车充电，再之后，小型电动车也可利用电气化公路临时充电和停车场固定共享充电网充电。

目前，我国发电总装机容量约22亿千瓦，全国全口径发电量7万多亿千瓦时，汽车保有量3多亿辆（每辆车功率平均50千瓦）。预计到电气化公路全面实施之时，每年销售电动车将高于500万辆，大量公路可改良为电气化公路。将来，假设3亿辆汽车中有二十分之一处于充供电状况，其功率也将高达3×50÷0.05=7.5亿千瓦，到那时我国发电总装机容量和发电量还将大幅增加。

总之，通过完善“电子换向式受电弓——共享充供电接触线网络”，伴随着电动车销售量的剧增，以及电气化公路和供电网络的建设，电动车和电气化公路将开创新时代。

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作者介绍

贾凤斌，毕业于四川大学计算机专业，网络工程师（软件），熟悉计算机、电子电器、电机、电动车、新能源等技术，在熟悉的技术领域有所创见，较深入研究了新型充电器、电动车充电技术和网络异步交易系统。