电动自行车、电动汽车路面供电系统

刘万红

江苏省淮安工业中等专业学校   邮编223200  

【文章摘要】在道路表面,平行地铺满“形状、大小完全相同”的长方形金属导电板，板与板之间留有绝缘缝隙(缝隙的方向与道路方向垂直)，并用柏油等绝缘材料填充缝隙。按顺序给每块金属板编号，其中编号为奇数的金属板都与电源负极相联，而编号为偶数的金属板都与电源正极相联；在电动自行车、电动汽车身下方，前后各安装一个拾电刷（或导电轮），调整电刷（或导电轮）之间的距离，使它正好等于长方形金属板的宽度，外加板与板之间一条绝缘缝隙的宽度。这样，当车辆沿主干道中心线向前行驶时，只要驾驶人员放下电刷，就能保证两个电刷正好与路面上“分别带正电、负电”相邻的两块金属极板相连，从而给电动车提供电能，保证电动车正常向前行驶，同时又能给电动车电瓶充电。

【关键词】路面供电系统   路面金属板   遥控开关

一、时代背景

我们知道,由于石油资源逐渐走向枯竭，导致汽油、柴油价格居高不下，这给广大汽车、摩托车用户，带来了很大的经济压力。另外，汽车、摩托车排放的尾气，造成了严重的空气污染，危害着人类的健康和生命安全，所以，寻找石油的替代能源，已经是当前迫切的任务，发展电动自行车、电动汽车是必然趋势，也是当前各国努力的主要方向之一。

二、当前电动车辆存在的主要问题

我们知道，当前正在使用的电动汽车，主要有：有线电车、有轨电车和电瓶车三种形式。其中，有线电车主要通过自身携带的供电臂（俗称“大辫子”），与路面上空（或道路侧面）的电源线连接来获取电能，这种供电方式下，只要电源线延伸到哪里，电动车就可以跑到哪里，但是，这种电动汽车只能按先后顺序“有序行驶”，想超车是不可能的；对于大型车、小型车混行的路面，如果在电动小轿车、电动自行车上方，也安装“供电臂”，那么车辆行驶过程中很难保持平衡，也很不方便，所以它只能作为“有固定线路的公交车”使用。还有一种有轨电车，它通过金属路轨来供电，也存在着类似的缺点，这里不再多说了。而电瓶车（即以电瓶作动力的汽车），与石油作动力的汽车有着同样的灵活性、方便性，所以它是当前汽车发展的主要方向。但是，由于电瓶技术的限制，存在着“电瓶充电等待时间长、一次充满电行驶里程短、电瓶循环充放电寿命短”等缺点，导致电动车行驶里程短、充电等待时间长、电瓶更换频繁，给消费者带来了很大的不方便，而且电瓶价格高昂，频繁更换电瓶会给消费者带来沉重的经济负担。试想，如果能将有线电车、有轨电车的优点，与电瓶车的优点结合起来，将会给电动车的发展，带来多么美好的前景啊！

三、研究和设计的基本思路

基于上述事实，我设想：如果能在交通主干道的路面上，安装“路面供电系统”，当电动自行车、电动汽车在此路面上行驶时，通过安装在电动车身下方的拾电刷（或导电轮），直接从路面上拾取电能，一方面用此电能驱动电动车向前行驶，另一方面再用此电能给车载电瓶充电，这该多好啊！这样，当电动车辆在主干道上行驶时，就不需要消费电动车上电瓶内的能源了，只有当电动车驶离主干道时，才会使用电动车上电瓶内贮存的电能，这样，就可以保证电动车辆，既可以行驶很远的路程，而且又有很强的灵活性，想去哪就去哪！另外，由于电瓶使用的少，可以大大延长电瓶的寿命，从而大大减轻消费者“频繁更换电瓶”的经济负担，所以，这必然有利于电动车辆迅速地取代汽油车，使电动车成为发展的主流。

基于上述设想，我构想出如下的“路面供电系统”：在行车主干道的路面上，平行地铺满“形状、大小完全相同”的长方形金属导电板，板与板之间留有绝缘缝隙(缝隙的方向与道路方向垂直)，并用柏油等绝缘材料填充缝隙（见附图一、附图二所示）。接着，按顺序给每块金属板编号，其中编号为奇数的金属板都与电源负极相联，而编号为偶数的金属板都与电源正极相联（为了安全起见,电源宜采用36V的安全电压）。在电动自行车、电动汽车身下方，前后各安装一个拾电刷（或导电轮），调整电刷（或导电轮）之间的距离，使它正好等于长方形金属板的宽度，外加板与板之间一条绝缘缝隙的宽度。这样，当车辆沿主干道中心线向前行驶时，只要驾驶人员放下电刷，就能保证两个电刷正好与路面上“分别带正电、负电”相邻的两块金属极板相连，从而给电动车提供电能，保证电动车正常向前行驶，同时又能给电动车电瓶充电。

四、设计方案

（一）设计方案一（见附图二）

从附图二可以看出，在车辆行驶的路面上，沿着车辆行驶方向，铺设若干块“大小、形状完全相同”的长方形导电金属板（板与板之间保持平行），并且板与板之间留有绝缘缝隙，并用柏油等绝缘材料填充缝隙。接着，我们按顺序给每个金属板编号，其中编号为奇数的金属板，都与电源负极相联，而编号为偶数的金属板，都与电源正极相联（见附图二）。正常情况下，电动自行车、电动汽车就行驶在这些金属板构成的路面上，我们在电动自行车、电动汽车的车身下方前后两部位，各安装一个拾电刷（或导电轮），调整前后电刷（或导电轮）之间的距离，使它正好等于“长方形金属板”短边的宽度，外加金属板与板之间一条绝缘缝隙的宽度。这样做，当电动车辆沿主干道中心线向前行驶时，只要驾驶人员放下电刷（或导电轮），使电刷（或导电轮）与金属路面接触，就能保证两个电刷（或导电轮）正好与路面上“分别带正、负电”的相邻两块金属极板连接，从而由“路面供电系统”给电动车提供电源。电动车两电刷（或导电轮）获得的电能，经过电动车内部的“桥式整流电路”整流后，变成脉动的直流电，再经过“超级电容器”滤波后，变成平滑的直流电，驱动电动车电机转动，从而保证电动车正常向前行驶（电动车内部整流、滤波电路，见附图三所示），与此同时，还可以利用“路面供电系统提供的电能”给电动车上的电瓶充电。从附图三还可以看出，只要我们设计时，使得“路面供电系统”提供的电能，经过“桥式整流、滤波”后输出的直流电压，大于电瓶两端电压时，就能保证“与电瓶串联的二极管”截止，这样，当电动自行车、电动汽车在“有路面供电系统”的主干道上行驶时，电瓶内的电能就不会释放出来。只有等到电动车驶离了“具有路面供电系统”金属路面后，到普通道路上行驶时，电动车的“车载电瓶”才会自动接通（见附图三所示），从而保证电动车能继续向前行驶。这样做，只要主干道上配备“路面供电系统”，就能保证电动自行车、电动汽车“沿着主干道”跑到很远的地方，而且电动车在主干道上行驶时，电瓶是不使用的，从而大大减少车载电瓶的使用时间，进而大大延长电瓶的使用寿命，这就大大节约了更换电瓶的费用（因为电瓶是很昂贵的，电动汽车电瓶更贵）。还有，电动汽车在主干道上向前正常行驶的过程中，当电刷（或导电轮）运行到金属板与板之间缝隙处时，由于此时电刷（或导电轮）“失电时间”很短，整流滤波电路中“超级电容器”储藏的能量，足够给电动车电机提供动力，所以车载电瓶不一定会自动接通（当然，如果“超级电容器”储藏的电能不够用时，由图三可以看出，车载电瓶会自动接通，给电动车提供电能）。

从图二还可以看出，为了便于对电动车辆收费（收取电费），铺在路面上各块金属板中，我们将编号为偶数的各块金属板，依次通过遥控开关Ｋ1、Ｋ2、Ｋ3、Ｋ4、Ｋ5、…与电源正极相连，并且这些遥控开关都与“自动计费系统”相连，并受它控制。同时，我们也在每辆电动车上安装“遥控信号”发射机，当电动车在路面上行驶时，那些已经预交了电费的车辆，其发射的遥控信息将被道路旁边的“计费系统”接收，并加以确认，然后计费系统发出指令，自动打开“电动车辆经过处”的遥控开关，从而允许电动车从“经过处的路面供电系统”中获取电能，而一旦该辆电动车通过后，此处的遥控开关又将自动关闭，所以，没有车辆经过处的路面是不带电的，这将又进一步增加路面的安全性。显然，没有预交电费的车辆经过时，其发射的遥控信号，不会被道路旁边的“计费系统”认可，路面供电系统也不会闭合“车辆经过处”的遥控开关，电动车辆无法从路面获取电能，这就为路面供电系统“商业化”运作，创造了条件。还有，为了安全起见，路面供电系统应采用36V的安全电压。

（二）设计方案二（见附图一所示）

在设计方案一中，由于采用36V的安全电压，对于大功率的电动汽车来说，这样的电源电压就太低了，必然需要很大的电流，这会带来很多的问题。为了克服这一缺点，我将铺在路面上的各块金属板，依次通过遥控开关Ｋ0、Ｋ1、Ｋ2、Ｋ3、Ｋ4、Ｋ5、Ｋ6、Ｋ7、Ｋ8、…，与一组串联电源Ｅ1、Ｅ2、Ｅ3、Ｅ4、Ｅ5、Ｅ6、Ｅ7、Ｅ8、…的各极相连（参见附图一），其中电源Ｅ1、Ｅ2、Ｅ3、Ｅ4、Ｅ5、Ｅ6、Ｅ7、Ｅ8、…的电压，均为36V的安全电压。这些电源，可以采用“高频脉冲变压器”来实现，既可以大大减小电源变压器的体积，而且便于实现自动控制、成本也低。因为“大功率电动汽车”车身比较长，我们可以将车身下方电刷之间的距离加大，使它等于多块“金属板短边宽度”之和，外加这些金属板与板之间绝缘缝隙的宽度和。例如，对于某重型载重汽车，由于车身比较长，我们可以将两电刷之间距离，设置为10块金属板的宽度之和（再加上板与板之间绝缘缝隙的宽度和），这时，载重汽车两电刷间获得的电压为36V×10＝360V，电动汽车获得的电源电压大大增加，从而可以使载重汽车获得很大的功率。

五、材料规格说明

    路面金属板应选择优质钢板，所有的金属板应为形状、大小完全相同的长方形，板的长度应该等于路面的宽度，而板的宽度应选择1米左右。另外，钢板的厚度应选择1cm以上，钢板越厚，其抗压、防变形能力越好，还能有效地分散车轮对路面的压力，从而大大地减少车轮对柏油路面的破坏，进而大大延长柏油路面的寿命（延长柏油路面的寿命，就可以使“路面供电系统”的平均成本大大下降，这一点很重要）。

六、安装说明：

    将“路面金属板”平行地铺在路面上，板与板之间要留有绝缘缝隙（保证相邻两块金属板彼此绝缘），缝隙处可以用柏油填充，既可以增强绝缘效果，也能够防止雨水渗入路基。这样，当金属板路面铺好后，整个道路表面已经被“路面金属板”完全覆盖，路基根本不存在风吹、日晒、雨淋的影响，这必然会大大延长路基的使用寿命，从而使“路面供电系统”的平均建造成本，进一步大大下降（这很重要）。另外，为了增强“金属板路面”的防滑性能，应在“路面金属板”表面适当开槽，沟槽的方向，应与行车方向垂直（与绝缘缝隙方向平行），从而

增大刹车时的阻力。接着，在每一辆电动车底部安装两个电刷（或导电轮），一个在车前部、另一个在车后部，当采用图二所示金属板路面时，两电刷（或导电轮）之间距离，应该等于一块路面金属板的宽度与一条绝缘缝隙宽度之和；若采用图一所示金属板路面时，两电刷（或导电轮）之间的距离，应该等于“一块路面金属板的宽度与一条绝缘缝隙宽度之和”的整数倍。电刷（或导电轮）与电动车内部的“电源电路”相连（见附图三所示），从而为电动车“驱动电机”提供电能。由于电刷与路面摩擦时，有很大的噪音，而且难免有电弧，所以最好采用导电轮，保证和路面有更好的接触。其实，从电路图三还可以看出，这种电路结构，可以有效地防止电弧产生。路面供电系统的遥控开关Ｋ0、Ｋ1、Ｋ2、Ｋ3、Ｋ4、Ｋ5、Ｋ6、Ｋ7、Ｋ8、…，以及电源变压器，应安装在道路两侧的路边上，通过导线与路面金属导电板相连。

七、建造成本说明

应当说，本路面供电系统的建造成本是很高的，估计每公里造价要2000万元左右。但是，由于它对路面和路基有很强的保护作用，从而大大延长道路的使用寿命，所以建造的“年平均成本”是不高的。另外，它可以大大减少消费者更换电瓶的费用，这是变相地减少建造成本。

以上仅仅是我的初步想法，盼望有更多专家学者对此深入研究，造福祖国、造福全人类。

【参考文献】

〔1〕陈其纯，《电子线路》第二版，高等教育出版社， 2008年4月

   〔2〕石小法，《电子技能与实训》第二版，高等教育出版社， 2008年4月

   〔3〕魏冬至， 《汽车电气设备构造与检修》第一版，江苏科学技术出版社， 2010年8月