用CMIW法改造的电气化高速公路的制作方法

这里我们提出电气化高速公路概念，利用电气化铁路经验，就能把高速公路升级为电气化高速公路。目前电动汽车技术稳步发展，但始终无法破解里程焦虑的瓶颈。电动汽车制造商对电动汽车里程焦虑的主流解决方案是增加电池容量，提高电池能量密度，增加电的利用效率，加快充电速度等几个角度入手；由于受到目前技术水平限制，电动汽车制造商是无法摆脱里程焦虑困境的。如何破除里程焦虑的瓶颈，助力电动汽车迅猛发展。电动汽车涉及到电动汽车制造商，消费者，中国电网电力输送，城市内公路网和城市间高速公路连接网几个部分。电动汽车制造商造的车是越来越好了，在以消费者住所为中心的单个城市公路网运行起来经济高效，对比燃油车有很大优势。但是一涉及到远程出行的城市间高速公路运行，里程焦虑问题才浮现出来。这里我们需要转换思路，把用车视角从消费者居住地为中心，改为以高速路网为充能供电中心，把高速路网改造成行车功能和供电功能的结合体，最好能实现低成本移动供电，从而使汽车低成本移动到高速公路为中心加车辆自身续航里程的广大范围内不停车自由移动。

背景技术：

里程焦虑的由来：燃油车一箱油能跑400公里，储电式电动汽车电池容量有限，但目前能做到以60公里每小时速度跑400公里，可是以120公里每小时高速度行驶却会有里程衰减现象；电池快速充电的速度比不上加油的速度，关键是快充电压比慢充高很多，容易造成电池衰减，缩短使用寿命这就是里程焦虑的核心由来。此外，电动汽车充电桩不好找，慢充80%电量约需要8个小时，快充80%电量约需要1个小时。也就是说在单个城市里，一天中低速跑400公里基本能够满足绝大部分居民出行需要。里程焦虑核心表现在电动汽车跑高速的乏力和充电时间过长之间的冲突。

在汽车制造商敲破脑袋都解决不了的难题，却在另外一个领域轻松实现了，中国高铁正在以350公里的时速从北京跑到广州，高铁列车本身带的充电电池容量很小，但是却能以很高速度持续运行，远距离移动，这主要归功于强大和完善的中国电网。

一、高铁的供电模式：国内电气化铁路供电制式为工频单相交流式，牵引网额定电压为27.5kv，与动车组额定电压相符。为保证向动车组提供合格的电压，同时减少电气化铁路对邻近通信线路的干扰影响，高速铁路牵引网一般采用带负馈线的直接供电方式和at供电方式。国内的既有线包括既有线改造后提速至200km/h的线路大量采用的均是带负馈线的直接供电方式，新建的250km/h及其以上的高速铁路普遍采用at供电方式，供电臂长度一般为30--40km，设2--3个at区段。二、高铁变电系统：通过变压器将地方110kv或220kv三相高压电变为1个或2个单相27.5kv工频变流电，并向铁路上下行牵引网供电，主要有牵引变压器、牵引变电所、at所、分区所、开闭所等设备支撑。三、变频系统：动车组通过受电弓接受来自接触网的27.5kv高压交流电，输送给牵引变压器降压，降压后的交流电再输入牵引变流器，从而完成单相交流--直流--三相交流的变化（也就是俗说的交直交变化），以保证动车组的运行。动车组一般有2-3个相对独立的牵引传动系统，正常情况下同时工作；当一个牵引系统故障时可以自动切断，列车可以继续降功率运行。四、电力分配：电力从地方引入两路10kv电源通过车站综合所、电力箱变供沿线车站各类设备、以及通信信号设备用电，包括现在使用的道岔融雪装置设备。

目前2019年国家对高压直流桩建桩补贴在8万元每桩，低压交流装补贴在8千元每桩。高速公路服务区的距离一般为30公里，每个高速服务区需定点建固定直流桩和交流桩若干个，占地且低效，成本高。换个思路，受高铁供电方式启发，用建一个直流桩的8万补贴实现一公里高速路上给10辆车移动供电的能力，这就引出了我们的新发明umiw法电动汽车安全低成本移动供电技术，解决电动汽车里程焦虑难题，给电动汽车装上快速移动的翅膀。

解决电动汽车里程焦虑难题的不是汽车制造商，而中国电网改造后能为电动汽车持续提供能量的电气化高速公路。德国已经建成了十公里电气化公路试验线，采用架空输电模式，成本相对较高，且限制了高速货车运货高度。下面umiw法具有利用现有资源，低成本的特点，能增加高速车流量，不限高。这就引出了我们的新发明，如何在高速公路上低成本的给电动汽车提供能量。

技术实现要素：

把高速公路的内侧高速里道改成电气化高速通道，利用侧边供电方式专门为电动汽车提供移动能源供给。由于高速里道人迹罕至只有车辆，且具有连续护栏特征，方便在改造后有防护的基础上供电。我们不需要把所有高速车道都电气化，我们目前只需要把连续的高速里道进行电气化改造就能满足目前阶段的需求。

图1，umiw法解决电动汽车里程焦虑难题核心技术包括：um高速公路防撞护栏式供电桩系统，iw受电弓系统，定距巡航技术。

um高速公路防撞护栏式供电桩系统包括u形带绝缘套供电火线来集中供电线路（相当于高铁的高压高空供电线）和利用现有高速防撞护栏m形波形板稍加改动作为电路的分散式回路（相当于高铁的两条铁轨）两部分；u形带绝缘套供电火线连接外部电网火线，防撞护栏m形波形连接外部电网地线。u形带绝缘套供电火线每十二米设置一个斜向易断接头，方便遭受撞击时断电保护和更换部件。高速防撞护栏m形波形板除了具备减缓意外撞击伤害的功能外，新增加地线导电功能。iw形受电弓系统包括受i形石墨棒火线接口、w形受电弓零电压地线接口两部分及其配属导线和支架。w形受电弓零电压地线接口和防撞护栏m形波形板形状匹配，有滑板式和滚轮式两种结构可选，起到整套设备稳定接入的作用，w形受电弓零电压地线接口通过导线接入电动汽车电控系统负极。i形石墨棒火线接口和u形带绝缘套供电火线来集中供电线路的凹槽匹配，主要是为了保证避免人畜误碰火线受伤害的安全基础上又能顺利受电，i形石墨棒火线接口导线接入电动汽车电控系统正极。iw受电弓支架系统具备慢速伸展开，安全准确接入，超距离时断电快速收起的特点；iw翅形受电弓支架系统平时隐藏在车辆踏板和后轮前方和上方位置，能绕前方竖直轴旋转30度伸展开靠近um高速公路防撞护栏式供电桩系统取电；iw翼形受电弓是靠推拉杆隐藏在车头或者车尾。定距巡航技术是使车辆沿高速里道白实线行驶，和内侧防撞护栏保持0.2米-1米恒定距离，方便侧边取电，减轻驾驶员驾驶压力的一种辅助技术。

um高速公路防撞护栏式电桩组成电气化高速供电网系统，安全经济覆盖面广的特点。中国目前建成高速里程超过14万公里，高速公路不单单是路网，也要后期开发成供电网。高速公路最中央一般是连续内侧防撞护栏，往外依次是高速车道里道，低速车道中道，紧急停车道外道，外侧防撞护栏，路基或路边植被区，高速路隔离网。参考我国高铁技术，我们利用现有内侧防撞护栏的m波形板刷防锈导电漆作为供电地线，在防撞立柱上方距m波形板20厘米稍靠后处安装u形供电火线，u形供电火线外面包裹u形绝缘材料，开口朝向高速公路车道。m波形板受到轻微撞击时不会伤害u形供电火线；u形供电火线每十二米设置一个斜向易断接头，m波形板受到严重撞击时，u形供电火线斜向易断接头断开，供电终止，防止事故车辆触电。供电网间隔处设在高速公路挑头变换车道的中央护栏断口处，这种断口处设置两根高立柱，就像我们平时见到的道路可变限高架，平时把限高架上的绝缘um横梁降下来和其他um供电线联成一个整体，方便受电弓滑过。当需要修路换到对向车道或者车辆挑头时，把绝缘um横梁升起来，相当于个门式限高架，车辆从门里通行。

图2，图3，iw翅形受电弓系统具备慢速伸展，快速收起的特点，安全准确，平时隐藏在车侧运动踏板位置和后轮胎的前侧和上部，使用时绕车前轮后侧竖轴旋转展开。当车辆驶入高速主路平稳行驶后，达到距离内侧防撞护栏0.8米距离时，翅根底部的液压装置推动强拉力弹簧伸长并挂在扳机上，弱弹力弹簧推动受电弓支架展开，展开伸出iw翅形受电弓，w形受电弓率先和m波形板接触，稳定结合后，触发w形受电弓上方20厘米处的i形火线石墨棒旋转，旋转插入u形供电火线的供电槽内，形成供电回路。然后液压油回收，强拉力弹簧处于高势能状态。当需要驶离高速或者超车时，驶离高速内侧护栏超过0.8米时，扳机跳动，强力弹簧迅速把受电弓支架拉回车体内；i形石墨棒受车体卡槽影响，处于和受电弓支架30度角的高势能上膛位置。位于车首或车尾的iw翼形受电弓受拉杆支架控制，达到和翅型受电弓同等效果。

定距巡航技术包含左定距巡航、前定距巡航和高速异常提醒三部分；左定距巡航技术是使车辆沿高速里道白实线行驶，和内侧防撞护栏保持0.2米-0.8米恒定距离（视不同车型距离不同），方便侧边取电，减轻驾驶员驾驶压力的一种辅助技术。在车辆左侧前方0.65米高处安装朝向中央护栏侧的距离感应雷达探头，每秒感应12次，当发现与护栏距离过近时自动控制方向盘顺时针微转，当发现与护栏距离过远时自动控制方向盘逆势针微转。这项技术解放了驾驶者双手，设计在高速公路上的里道距离内侧防撞护栏不超过1米时使用。前定距巡航是在车辆前部安装感应雷达探头，发现前面里道车辆会自动锁定，自动控制油门刹车和前车保持定距同速巡航，当前车驶离里道后，本车切换到高速最高限速的定速巡航自动模式，直到扫描到下一个前车再切换到前定距巡航模式，前定距巡航解放了驾驶者的双脚。为了防止驾驶者过度放松，我们在车顶安装雷达对前方500米路面异常检索系统，自动扫描护栏间路面，只要扫描到路面非移动车辆之外静止异常物体即发警报提醒驾驶员注意。驾驶者只要手动转动方向盘就能解除左定距巡航，脚踩油门或刹车就能解除前后定距巡航或定速巡航。定距巡航辅助驾驶能极大减轻驾驶者负担，特别是在能见度低的恶劣气候时对驾驶者帮助大。

技术可行性分析：中国高铁高空单根27500伏高压线给9600千瓦的机车供电，可达到每小时350公里时速。同样的道理，高速公路以220伏电压用同样的导线给75千瓦的电动汽车供电，速度可以跑到120公里，两者电流强度相当。高铁供电臂区间长度是30-40公里，设三个at区段；类比的高速公路低电压可以3公里一个供电臂长度，设三个供电区段。由于高速需要同时供多台车的用电，需要适当加粗u形供电火线，最好采用导电性强的铝线为主体，外衬耐磨硬钢u形槽，外面再外包裹u形绝缘体的结构。一则满足电动汽车移动供电需求，二则降低误触火线带来的触电风险。220v是我们家庭的常用电压，只要做到我们家庭常用级别的安全防护，就不会有触电风险。220v是国家电网的通用标准，在高速公路通过的农村地区都是这个标准，只需要适当加大高速沿线的变电站功率，就能实现对高速沿线供电。

经济与安全分析，采用铝主线u型钢辅助外包u形绝缘层的供电火线改造的电气化高速公路，在达到每公里10辆车移动供电的标准下，每公里单向改造成本为8万元，成本远低于需要高空架线的供电模式。由于高速里道人迹罕至，加装了绝缘层保护的电线能提供可靠地安全静态防护，加装了易断斜向接口的供电线提供了可靠的撞击防护。

高速行驶的汽车，由于风阻影响，iw形受电弓系统不宜伸出过长；在安全行驶基础上我们只在左侧安装iw形受电弓系统。高速内侧防撞护栏距离行车道白线一般0.5米以内，车道宽一般为3.75米，当车辆伸出左侧受电弓距离内侧防撞护栏0.2-0.8米时汽车能准确地在高速里道行驶，只会占用高速公路里道内侧部分，给高速中间行车道留出大量富裕空间，不会妨碍其他车辆行驶。电动汽车间隔100米依次在高速里道采取前后左侧定距巡航行驶，燃油汽车在高速公路宽敞中道行车道快速行驶也可采用前后定距巡航，安全有序，大大提高高速公路的通行能力。

附图说明

图1防撞护栏供电桩um系统101连接外部电网的变电站、102火线输电线、103u形带绝缘套供电火线、104连接防撞竖柱和u形带绝缘套供电火线绝缘体支架、105原防撞护栏的横置m形波形板、106防撞护栏防撞竖柱、107高速公路路面、108可旋转火线i形石墨棒、109受电弓支架绝缘部分、110与原防撞护栏的横置m形波形板形状匹配的w形受电弓。

图2电动汽车iw翅式受电弓俯视图201车体、202原防撞护栏的横置m形波形板和u形带绝缘套供电火线、203强拉力弹簧、液压机、扳机、弱推力弹簧组成的控制旋转轴、204伸展开的受电的iw形受电弓支架、204伸出工作状态的受电弓、205高速公路车道标线、206超车或驶离高速车辆的收起状态的受电弓。

图3一款车侧安装的电动汽车iw翅式受电弓侧视图301车体、302受电弓和车体连接控制轴、303翅式受电弓支架、304iw形受电弓。

具体实施方式

um防撞护栏供电桩改造计划：以220常用电压为例，防撞护栏立柱顶部通过绝缘部件连接u形带绝缘套供电火线距地面1米高，距离m波形板20厘米高且稍微靠后，连接变电站220v的火线，u形带绝缘套供电火线相遇于高铁的高空高压供电线。防撞护栏立柱和立柱上的原防撞护栏的m波形板优化形状并涂防锈导电漆，m波形板安装在距地面0.5-0.8米高处，形成零电压的地线，相当于高铁的铁轨。每1千米防撞护栏为一个供电单元，每三个供电单元形成一个供电组，由连接外部电网的变压器供电。

iw受电弓在车辆的加装计划：iw翅式受电弓我们以常见车为例论述：车长4.6米，车宽1.8米轴距2.7米，前后门宽0.8米，车轮直径0.8米，前后轮之间的车体长度为1.7米.有些车主很喜欢给车加装踏板，我们就把翅膀安装在车底踏板位置，平时隐藏在车底。翅膀前面的竖轴位于前轮后面的转轴，相当于翅根；翅骨在收起状态时能起到踏板的作用；翅尖加装w形受电弓和i形石墨棒，平时翅尖隐藏在车体后轮前面和上面，高速公路上行驶时伸出利用高速防撞护栏式供电桩供电。iw翼受电弓可以安装在车首或者车尾部，通过车内推拉杆或转轴控制伸出车外受电还是拉入车内隐藏。iw形受电弓均具有低速伸出，超出受电距离快速缩回的特性。

电动车辆利用自身电量，驶入高速内侧车道高速度行驶后，当车辆距离内侧护栏一米距离时，控制受电弓伸出的自动定距巡航按钮处于绿色可启动状态。按下按钮，自动定距巡航开始，车辆会控制和防撞护栏距离保持在0.2-0.8米的固定可充电距离（视不同车型而取不同值），然后伸出受电弓受电。当距离内侧护栏距离大于1米时，iw受电弓会快速自动收起。在安全行驶的基础上我们只装左侧iw形受电弓。我们使用定距巡航技术，使高速行驶的车体在距离左侧防撞护栏0.2-0.8米的固定距离高速度行驶，减轻驾驶员工作强度，避免了恶劣天气对驾驶的负面影响。

调动相关部门积极性1.国家电网利用高速公路附近电网修建变电站给高速公路供电，按国家标准向高速公路公司收费，有人用电付费国家电网积极性就很高。2.高速公路对高速移动电动车辆供电，把车辆受电弓电表和etc捆绑，利用高速etc系统收费；能多收费和快速收费高速公路的积极性就很高。3.国家按高速公路每1公里给十台车同时供电能力给予对应交流连续桩补贴单向每公里8万元。4.电动汽车公司根据高速公路密度，提供200—400公里续航里程的电动汽车，不建议使用过重电池，并且给电动汽车安装受电弓支架和定距巡航辅助系统。这套组合拳打下来，以高速公路为主干供电网络，可以让电动汽车低成本到达高速公路沿线的任何200公里以内的区域。里程焦虑不再是任何难题，从此我们摆脱了对超长续航里程的追求，摆脱了对超快充电速度的担忧。选择合适续航里程，减轻过重的电池重量，轻装上阵，合理就好，人们对新能源汽车的选择回归理性。

目前高速公路护栏式充电桩系统每公里改造成本大约是双向16万元相当于20个固定交流充电桩，能达到每公里单向10台车移动供电，双向20台车移动供电。中国有14万公里的高速公路，综合供电线路改造成本大约在220亿元。但是这能极大提振电动汽车产销量达到1000万辆每年，产值约1万亿。同时用电量大增，国家电网营业额提高了；高速公路车流增加，过路通行费收费增加；电动汽车厂家从2019年下半年的销量暴跌，到销量翻倍；国家减少对石油进口的过度依赖，国家安全有了保证。

本发明有助于低成本把高速公路里道变成电动汽车专用道，使高速通行的50%车辆都能电气化不消耗自身储电高速行驶，无限增加电动汽车高速行驶里程，能够为电动汽车廋身不用再背负过重电池包，极大方便人类低碳出行。

本文中所用数据仅为较佳实例，并非对本发明的任何限制；利用本文所述的技术方案，或本领域的技术人员在本技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本专利要求的保护范围。本文未述及之处适用于现有技术。