公路长下坡车辆制动能量回收装置及应用分析

李博正 王哲

【摘要】：我国已建成通车的公路，因丘陵、山地和高原等的影响，有不少连续长下坡路段，运输车辆在该路段行驶过程中，大量的势能转化为热量，极易导致制动失灵，造成车辆追尾、冲出公路等车毁人亡的重特大交通事故。针对这一严峻情况，本文提出了一种公路长下坡车辆制动能量回收与利用装置，它可将车辆下坡时的制动能量转化为电能送入电网，即可有效利用制动能量，又能降低车辆因制动失灵导致重特大事故的概率，提高公路运输的安全性。

【关键词】：长下坡路段 制动能量回收 发电

中图分类号：U46 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）05（c）-0000-00

1.我国公路长下坡情况简析

改革开放以来，我国公路建设获得了突飞猛进的发展，根据交通运输部发布的《2014年交通运输行业发展统计公报》，截止到2014年末，全国公路总里程为446.39万公里，其中高速公路里程为11.19万公里[1]，预计到2015年底将达到12.3万公里。

我国地域辽阔，有约60%的国土是丘陵、山地和高原，在我国已建成通车的公路有不少穿越这些地区。这些地区地形起伏和地势落差大，需要采用连续升坡或连续降坡的方法克服高差，下坡时不少公路有连续长下坡路段，其中比较典型的见表1所示[2]。

从表1可见，我国这几条公路的连续长下坡路段，坡长一般超过4km、平均坡度大于3%。运输车辆在这些长下坡路段行驶过程中，其势能将转化为机械能，重力驱动车辆加速，必须采用制动器等制动装置抵消重力作用，保障车辆以安全的速度行驶。在车辆下坡持续制动过程中，大量的势能在车辆制动毂内转化为热量，使制动毂升温，如果制动时间过长、要转化的势能过大，都会引起制动毂温度过高，导致制动失灵，造成追尾、冲出公路等车毁人亡的重特大交通事故。

北京八达岭高速公路进京方向55km 至49km的長下坡路段，自1998 年11 月至2003 年9 月，共发生重特大交通事故32 起， 受伤62 人、死亡49人， 平均每公里10人。在这些交通事故中，车辆制动失效是直接原因，长时间制动容易使车辆制动毂和轮胎的温度迅速上升，制动毂温度接近700 摄氏度，容易引起制动失效[3]。2005年12月4日20时许，该路段49公里处一辆载有77.74吨电石的严重超载大货车因制动失灵，追撞上同方向行驶的一辆大客车，造成24人死亡、1人重伤、2人轻伤和6人轻微伤的特大交通事故[4]。

运输车辆，特别是载重货车在连续长下坡路段行驶过程中，由于制动失灵等原因导致的特大、重大交通事故时有发生，是重大恶性交通事故的发生率最高的路段，已引起全社会的广泛关注。在公安部督办治理的全国29处公路危险路段中，属于连续长下坡的事故多发路段就有16处，高达55%。在这些事故中，载重车辆是事故车辆的主体，约占60%～80%，其中超载导致的制动失灵是主要祸根和直接诱因[2]，亟待治理和解决。

解决该重要问题的途径有：1）尽量降低运输车辆总重量，严禁超载，从而减少重力和势能；2）提高制动器的性能、寿命和可靠性；3）尽量降低公路坡度，减少重力沿行驶方向的分量。更为重要是，要在现有线路条件和车辆制动方式都不变的前提下，寻求一项既能延长制动器寿命、又能有效利用车辆制动能量的新方法，变害为利，提高我国公路交通的安全性。

2. 公路长下坡运输车辆制动能量计算与分析

假设一辆总重量为 （单位为kg），在一条坡度角为 度（线路坡度定义为 ）的笔直路线上下坡行驶。车辆受力情况见图1所示。

在图1中，车辆受力共有：垂直地面方向的重力 、与行驶路面垂直方向的路面支撑力 、与行驶速度方向一致的牵引力 、与行驶速度方向相反的摩擦力 和风阻力 。由于车辆行驶速度较低，可忽略风阻力的作用，根据牛顿定律[5]，可列出车辆的运动方程为：

据统计，八达岭高速公路进京方向的日均交通流量为14万辆，既有数量众多的2吨以下的小轿车，又有大量的最大载重超过10吨的大货车（超载时有时达20吨以上），如按照每辆车平均3吨来计算，该路段每辆车的平均制动能量为1.92度电，按日均交通流量为14万辆计算，则每日的总制动能量为26.88万度电，每年（365天）的总制动能量为9811.2万度电，近1亿度电，数量极为可观。这些能量主要通过制动器转化为热量，白白浪费掉了，十分可惜。更为严重的是，这些制动能量是导致重特大交通事故的主要诱因。

4. 一种新型的公路长下坡运输车辆制动能量回收与利用装置

针对目前我国公路长下坡路段车辆制动能量巨大、被白白浪费且可能会导致重大交通故的严峻情况，本文提出了一种公路长下坡车辆制动能量回收与利用装置，见图2所示。

图2所示的车辆制动能量回收与利用装置由路面摩擦圆滚、升速齿轮、发电机、并网逆变器和升压变压器组成。在连续下坡道路面每隔一段距离挖一沟槽，将摩擦圆滚放置在沟槽上部，并让圆滚顶部尽量露出路面，使其与路面行驶车辆车轮保持足够的接触面积。摩擦圆滚与升速齿轮的低速齿轮同轴连接，升速齿轮的高速齿轮与一台中速发电机同轴连接，发电机的输出线与并网逆变器的输入端连接，并网逆变器的输出端与升压变压器的原边连接，升压变压器的副边接入电网。升速齿轮和发电机均放置在沟槽内，并网逆变器和升压变压器放置在公路旁的建筑物内。

工作原理是：车辆在下坡道前行时，在其前轮与摩擦圆滚轮开始接触到后轮脱离接触这段时间内，车轮驱动摩擦圆滚转动，并由升速齿轮升速，驱动中速发电机发电，并网逆变器将发电机发出的三相交流电变换成幅值和频率都恒定的三相交流电，并通过升压变压器接入电网。

摩擦圆滚轮的半径为 （米），车辆行驶速度 （km/h）与滚动轮的转速 （转/分）之间的关系为： 。摩擦圆滚轮的半径选为 ，车辆以50～90km/h速度匀速行驶，则对应的摩擦圆滚轮的转速为265.39～477.71转/分。升速齿轮的升速比设定为1：6，对应的发电机的转速为1592.34～2866.26转/分。

跟据前一节对八达岭高速公路进京方向6.6km下坡段制动能量的计算结果，该下坡路段每日的总制动能量为26.88万度电，如果每10米安装一套制动能量回收装置，整个下坡段共安装660套。按照每日50%的制动能量被制动能量回收装置转化为电能并送入电网，为13.44万度，每一套制动能量回收装置平均转化203.64度电，每套装置的平均功率为 ，考虑到过载和极端情况，发电机的额定参数可选为30kW、3000转/分。并网逆变器和升压变压器的容量可选为40kVA左右。

4. 应用效益分析

以北京八达岭高速公路进京方向下坡段为例，该路段则每年的总制动能量为9811.2万度电，按照50%转化电能计算，为4905.6万度电。据北京市发改委统计数据，北京市83%的居民每月用电量均在240度以内，每年小于2880度。可见，仅北京八达岭高速公路进京方向下坡段制动能量转化的电能就可满足北京市至少1.7万户家庭的用电需求。

以同样的计算方法，按照每辆车平均3吨、日均单向交通流量为2.5万辆（八达岭高速公路按来14万辆），分别计算京珠北高速公路、漳龙高速公路、元磨高速公路、嵩待二级公路、通建高速公路、玉元高速公路、湟倒高速公路和国道312（亭口坡二级公路）下坡路段的年制动总能量，计算结果见表2所示。

这9条典型连续长下坡路段的年制动总能量合计高达39550.87万度电，近4亿度。假设只有50%的制动能量能转化为电能送入电网，这9条路段每年也将有近2亿度电送入电网，经济效益十分显著，更为重要的是可明显降这些路段重特大交通事故的发生概率。

5. 结语

公路长下坡路段已成为我国公路特重大型交通事故高发区段，车辆制动失效是直接诱因，本文提出的一种车辆制动能量回收装置沿公路长下坡道布置，将车辆制动能量转化为电能送入电网，计算结果表明，仅北京八达岭高速公路进京方向下坡段制动能量转化的电能就可满足北京市至少1.7万户家庭的用电需求，9条路段每年也将有近2亿度电送入电网，即可发电上网，又能降低交通事故发生概率，推广前景广阔。

参考文献：

[1] 中华人民共和国交通运输部.2014年交通运输行业发展统计公报，http：//www.moc.gov.cn。

[2]云南省山區高速公路连续长下坡路段交通安全综合治理技术研究，子课题一：安全预评估技术的研究---调查报告. 云南蒙新高速公路建设指挥部，云南省公路规划勘察设计院，北京中路安交通科技有限公司，2006年10月。

[3]韩凤春， 马社强. 山区高速公路交通事故特征及防控体系研究[ J ]，公路交通科技，2005（12），p135-139.

[4]八达岭高速车祸续，刹车失灵夺走24条生命. 京华时报，2005年12月06日（第一版）.

[5]新课标高中课本教材教科书-物理[M].人民教育出版社，2014.