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重新认识现代无轨电车 智能电网与配套设施逐步实现智能化

2021-09-28 15:37:09    来源:中国汽车报

全球公共交通电动化的趋势愈发显著,市场竞争与碳达峰、碳中和目标的提出,更使公共交通领域涌现出多种技术路线以实现电动化的目标。欧盟于2018年4月启动了《欧盟智慧城市无轨电车2.0》项目,通过一系列的系统论证与示范运营,以寻求公共交通电动化发展的创新方案。

在过去的130余年中,无轨电车曾在全球300多座城市运行。在欧洲,它曾因技术老旧、灵活性差,被柴油动力客车以及其他动力形式的车型所取代。而在最近10余年间,由于动力电池、集电系统、架空线网等技术的快速发展,无轨电车在欧洲再次焕发生机,成为欧洲智慧城市实现公共交通电动化的高效解决方案。

在线充电技术完善并获得认可

参加欧盟智慧城市无轨电车2.0项目的德国埃伯斯瓦尔德市对在用柴油客车进行改造。将传统柴油客车改制为现代无轨电车,1图空出位置为原有后左偏置柴油机布置位置,2图为配装动力电池后示意图,动力电池包与原有柴油机体积相当,该车辆运用于该市910路。

在《欧盟智慧城市无轨电车2.0》项目中,在线充电技术(IMC)可以看作是这一项目的核心。论证结果表明:配装有一定数量动力电池的现代无轨电车与智能化、网络化的供电配套设施将是城市公共交通实现电动化、电气化的可持续解决方案。

具体来看,这一项目对现代无轨电车的描述如下:具备自动捕捉、自动脱线功能的零排放现代无轨电车、多用途的充电设施与可再生能源有机结合的智能电网系统。

其实,在线充电技术在国内并非新鲜事物。近10年来,国内如北京、上海、武汉等地均有在线充电式无轨电车投入运营,并且北京、上海及浙江金华市在国内采用了750伏直流供电线网。即便如此,拥有在线充电技术的无轨电车在国内依旧处境尴尬,究其原因,与车辆能否获得国家和地方政府的新能源汽车补贴不无关系。

电池电动客车与在线充电客车使用对比。电池电动客车单次充电后行驶10公里路程,在线充电客车3公里采用架空线网的电力驱动,并为动力电池充电,其余7公里为动力电池提供动力。在线充电客车不需要额外的停站充电时间。

在欧洲,在线充电技术被认为是现代无轨电车的必备属性。在线充电无轨电车拥有如下优点:灵活性好(行进中充电,对架空线网依赖小,30%~40%的行驶区域无需线网供电)、车辆整备质量轻(无需配装更多动力电池)、适用于大容量客车(除12米级标准城市客车外,更适用于铰接客车或双铰接客车)。

此外,项目手册还提及,当在线充电无轨电车系统形成网络化后,在架空线网、配电设施的前期投资有望更快得到回报。

智能电网与配套设施逐步实现智能化

德国埃伯斯瓦尔德市910路改造后的线路示意图,红色线条为采用动力电池驱动的运营区间,绿色线条为双向采用架空线网受电并为动力电池充电的运营区间。

当然,实现公共交通电动化的可持续发展不能仅仅依靠现代无轨电车,与之配套的电网和配套设施的技术演进同样重要。

项目手册中将智能化演进分为三步:首先,通过采用在线充电技术,获得更好的灵活性。以《欧盟智慧城市无轨电车2.0》联盟参与城市——德国埃伯斯瓦尔德为例,该市拥有两条运营数十年的无轨电车线路,通过规划,该市910路与现存无轨电车供电线网有6.5公里重合,在其运营的29.6公里线路上,可有13公里线路区间使用无轨电车线网进行充电。又如,德国柏林公交运营商BVG,该公司计划在2030年前,实现公共交通车队全部电动化运营,目前BVG计划在斯潘道地区的干线安装部分无轨电车架空线网。在“尽可能必要,尽可能可行”的原则下,安装部分无轨电车架空线意味着在充电设施和电池间的经济最优化。

根据BVG公司的计划,在线充电无轨电车在相关线路的50%~65%路段使用架空线充电,剩余运营区间利用动力电池运行。BVG方面称,由于允许在行驶过程中充电,该模式对于运营时刻表不存在不利影响,并且不需额外配备车辆,运营车辆也不需要在两端终点站或车场耗时充电、补电,将架空线与电池结合意味着更长的续驶里程,他们还计划将24米双铰接无轨电车用于大客流线路。

其次,将无轨电车网络变为智能、节能的供电网络。另一座参与城市荷兰阿纳姆市计划将太阳能、风能等可再生能源与无轨电车供电线网进行整合。通过建设必要的储能装置,将光伏发电、风力发电与无轨电车的供电网络融为一体。

再次,无轨电车供电系统变为多用途、多功能的“充电走廊”。将无轨电车供电网络变为多用途供电网络已在欧洲多座城市进行试验,这一举措将可再生能源、无轨电车反向馈电、储能装置综合利用,随着电力-电池-无轨电车之间的边界逐渐消失,这一理念目前在英国伦敦、捷克布拉格、荷兰阿纳姆等地进行测试,测试目的是使供电线网可为无轨电车、轻轨、电动乘用车提供电力。

波兰格但斯克大学测算的波兰城市格丁尼亚公共交通车辆年均使用成本。横轴为分别为柴油动力客车(Diesel)、传统无轨电车(EV1)、夜间充电的电池电动客车(EV2)及在线充电客车(EV3)的年行驶里程;纵轴为年均使用成本(欧元)。第一排:车辆 动力电池 充电设施;第二排:基础设施 维护费用 能源费用;第三排:人工成本 税费 外在性成本

可持续发展是公共交通电动化的核心

正如北京公交集团一位技术人员所说,国内在线充电式无轨电车的发展其实是走在欧洲前面的,但或许是因为电动汽车补贴的缘故,近年来国内在现代无轨电车的技术发展上略显乏力。

全国公共交通学科首席科学传播专家王健认为,公共交通电动化的本质是要走可持续发展之路。中国的新能源汽车在政策和补贴支持下,虽然取得了显著进步,但国内公共交通电动化的进程,却在一定程度上迈入了不可持续发展的阶段。

他认为,《欧盟智慧城市无轨电车2.0》项目已充分证明,采用适当的电池容量来支持无轨电车脱线运行是可持续的公共交通电动化解决方案,其核心要素是在线充电及充电基础设施的共享和多用途。现代无轨电车适当配置动力电池进行在线充电,这种智能和可持续的公共交通系统才是中国政府和城市实现零排放应当首选的解决方案。

此外,有不少业内专家也认为,在当前电池固有特性(重量与容量等技术)仍没有革命性突破之前,在线充电式无轨电车是公共交通领域的最优选择,社会各界应予以大力支持,推动全国在线充电式无轨电车的应用普及。

智能无轨电车系统示意图。该系统包含智能电网系统、光伏发电系统、直流交流双向变电站、储能设施、乘用车充电站,这一系统为现代无轨电车提供电力,同时车辆再生制动时可进行反向馈电。

上文提到,现代无轨电车的定义无论是在中国还是欧洲,目前都是存在争议的。当然在实际应用过程中,国内与欧洲的城市管理者、运营企业都进行了相应变通。随着新能源汽车补贴的逐步退坡,摆在政策制定者、公共交通行业面前的问题,是如何将电动化的公共交通拉回正轨,使其真正符合可持续发展。

王健表示,国内业界存在着对电动汽车的狭隘定义(所谓的纯电动汽车),偏离了车辆电驱化的本质(电机驱动车辆),特别是在补贴政策的诱导下驶进了“弯道”。而针对现代无轨电车而言,不少政策制定者、城市规划师和交通领域工程师对这类车型缺乏足够认知,很多观点仍固化在30年前对传统无轨电车的老旧认知上。

“这一点与欧洲相比有很大区别。”王健告诉记者,在欧洲始终有几家企业进行无轨电车相关技术的研发,但在国内受制于市场规模和政策因素,我们在无轨电车的技术更新上还存在严重不足。

此外,国内无轨电车在驱动技术的认知方面亦仍与国际水平存在较大差距。轮毂电机、轮边电机驱动桥等驱动形式在欧洲的无轨电车中早已投入使用,但在国内一些商用车企业和客运企业中,仍然对这一类驱动形式的安全问题存在疑虑。

由此可见,在多方面原因的叠加影响下,无轨电车想要实现快速发展依旧是困难重重。不过,既然欧洲的现代无轨电车在实际应用中具备较好的减排效果、符合电动化趋势,那么便应得到足够的重视。

对此,专注于公共交通历史及技术研究的宋文超也表示,“现代无轨电车已实现升级换代,无论是技术水平还是使用效果都有了突飞猛进地提升,目前国际上众多城市,特别是被联合国列为世界文化遗产街区的城市中,均有无轨电车运行,这些城市在架空线规划、路杆设计方面,都有我们值得借鉴之处。国内在架空线网整治、路杆多功能合一的改造过程中,需要切实做到精细化管理,少些‘一刀切’的做法。毋庸置疑,节约能源和减少污染源需要树立全民意识,需要全民参与,更需要坚持可持续发展的原则。”

以达成“双碳”目标的角度审视公共交通电动化可持续发展的问题,的确需要采用理性、审慎的态度。单就车辆形式而言,目前电池电动客车与现代无轨电车的区别正逐渐缩小,所以应以长远眼光来看待车辆技术发展。如果片面追求补贴,抛弃现代无轨电车,拆除现有系统,而非优化升级,很可能会失去可持续发展的良机。(吴戈 )

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