CN1273305A - 储能式有源车用道路 - Google Patents

Abstract

一种以机械行波方式向车辆提供行驶动力的有源道路,特点是全路由有源路段和无源路段交替组成,车辆行于有源路段时除获得即时行驶的动力,还以位能、动能和化学能(给蓄电池充电)的形式将能量存储,满足其行驶在无源路段之所需,由于行波路段在此以小段形式存在,加上无需保持全路振动相位的同步,造价降低,并可按要求设计成不同用途的专,以适用于各种市区车辆,从中获益最多者当数电动自行车及电动汽车。

Description

储能式有源车用道路

本发明涉及的是一种有源车用道路，与专利申请号98126312、7中叙述的道路的区别在于全路由有源和普通路段交替组成，其有源段向车辆提供的不仅仅是即时行驶的动力，而且还多给出一部分能量存储于车辆，供其驶离该有源路段后再加以利用，具有如此性能道路的优点在于：

1、有源路段在整条道路中可间或地存在，即在一条道路中有源路段和普通路段交替设置，从而降低了全路的造价。

2、处于有源路段之间的普通路段为车辆的自由行驶，如超车、暂停、进出道路等提供了方便，增加了全路的灵活性。

相对于专利申请号98126312.7而言，本发明可说是一个合乎逻辑的扩展，前者的目的是建成一种主要是供自行车行驶的道路，本发明的适用而较宽，其一是替代交通干线机动车道两边的慢车道，用以通行自行车、电动自行车、油机助动车等，其二是作为交通干线上机动车道中的一条车道(往返则为两条，用以通行轻型机动车，诸如私家汽车、小型电动汽车、摩托车等等)，当然在此行驶的机动车完全可以关掉发动机，至于数量上仅占通行车辆一小部分的载重汽车及大型客车由于其尺寸重量会对道路提出过高的要求，以通行于普通车道上更为合理。

本发明采用专申请号98126312.7中述及的“机械行波”给车辆供能，车辆存储额外能量的方式有：1.位能，即有源路段将车辆的高度位置提升；2.动能，车辆在通过有源路段后速度得到增加；3.位能加上动能；4.化学能，以蓄电池为能源的车辆在通过行波路段时通过车轮带动发电装置(将驱动车轮的电动机转化为发电机)给蓄电池充电。

为将车辆的位置提升，行波路面与水平线间保持有“爬升角”α，而此α角将与原行波路上升段(位于波峰前及波谷后)的斜角θ相减得到实际的下滑角β，可用增加路面的波动幅度使“下滑角”β保持在必要的度数以维持推动车辆前进的推力。为使车辆在行波路上得到增速，必须做出变速行波，由式V＝λ×f得知，改变波长λ或频率f均可使速度V变化。但在此“机械行波”中只可变更波长，即逐“板”增加申请号98126312.7中述及的“铺板”的长度。

作者认为在“行波路”上同时提高车辆高度位置及增加车辆速度最为可取，在此车辆无需作任何改动，而且储能过程时间短，现以通行自行车为主的慢车道为例叙述并计算如下：

为保持较高的“平均”及较低的“最高”车速，较合理的过程是，首先由一段呈斜坡状的行波路将车辆的位置提升使之增加位能，与此同时还使车速达到允许的“最高”值，使之具有动能，然后在一段下降坡道上以“最高”车速等速下滑并耗尽其位能，最后在一段水平路上依靠其惯性作减速运行，以利用其动能，当车速减低到某一预定值附近也就到达了下段行波路的起点，如此，过程就得以循环，存储在车辆中的能量为： $E=E_h+E_k=m\×g(h_e-h_o)+\frac{1}{2}m(V_e^2-V_o^2)$

其中E_h为位能，E_k为动能，m是人车总质量，g是地心加速度，H_e＝车辆最终高度，h_o＝车辆原始高度(地平)，Ve＝增速后的车速，Vo＝增速前的车速。

计算暂以如下参数为例，质量m＝80kg，其中人60kg，车20kg；He＝6M(路下空间可达5M，足以跨越其他公路以实现立交)，Ve≈25.4KM/h＝7.05M/S，对自行车而言，此速度已经够高了，Vo≈9Km/h＝2.5M/sec，太低将降低全路的平均速度。 $E=m[9.81\×6+\frac{1}{2}({7.05}^2-{2.5}^2)]$ (可见位能大于动能)

行波路段可由三段组成，如图1所示，第一段位于地平面，水平走向，路面单元的振幅由零逐渐增大到某一数值，其波速暂定2.4M/sec(8.64KM/h)，称之为“导入段”，即图中之1，第二段为“提升增速段”或称之为“提升段”，即图中之2，车辆沿此段爬升和增速，坡度角应小于4.5°(市区道路多小于此坡度)在此“提升段”末端行波速度达到Ve＝7.0464M/sec(取此速度数值在后面计算中可省略许多小数位)，第三段为“过渡段”，即图中之3，位于6M高处作水平走向，路面单元的振幅A由“提升段”末端值逐渐减少到零，车辆经此平稳地过渡到普通下坡路面上，即图中之4，最后进入水平减速段，即图中之5。“导入段”由于速度低、波长短，但最短波长应满足 (自行车前后轮轮距)，即λg＞4.4M，频率f＝即f＜0.55Hz。暂定f＝0.4Hz，Vg＝2.4M/sec， 本行波路每个波长均由12个路面单元(铺板)构成，导入段“铺板”长

暂定＂导入段＂长度Lg＝20M，即此段由

40块“铺板”组成，其第1块铺板的前沿振幅A为零，其他板的A值逐板直线递增，第40块的后沿A值与“提升段”第一短板的前沿相等(由同一驱动单元带动)，车辆经由此段被从普通路段导入“提升段”。

暂定＂提升段＂的坡度角α约为4°，如此坡面长

其末端波长

＝17.616M，末端铺板长

坡面长 $L_e\≈86=(V_b+\frac{V_e-V_o}{2})t=\frac{V_e+V_b}{2}t=4.7232t,$ 其中V_b表初速，V_e表末速。

走完此段路面的时间 $t_e\≈\frac{86}{4.7232}=18.2\sec$

波的周期 $T=\frac{1}{f}=2.5\sec$

本提升段行波的个数 $W\≈\frac{t_e}{T}=\frac{18.2}{2.5}=7.28$

铺板数P₁＝12.W＝87.39，取整数88，待算出各“铺板”长后再重算L_l。

逐板递增之长度 $\mathrm{\Δ}=(\mathrm{De}-\mathrm{Dg})/P=\frac{1.468-0.5}{88}=0.011M$

第一块“铺板”长D₁＝0.5+Δ＝0.5+0.011＝0.511M

                D₂＝0.5+ZΔ＝0.522M

                D_n＝0.5+nΔ＝

                D₈₈＝0.5+88Δ＝1.468M

坡面长 $L_l=\underset{n=1}{\overset{88}{\mathrm{\Σ}}}D=88\×0.5+88\mathrm{\Δ}\×88/2=86.592M$

走完此路面的时间 $t_l=\frac{86.592}{4.7232}=18.333\sec$

本段波数 $W=\frac{18.333}{2.5}=7.333$

坡度角

车辆在此斜面上的平均速度 $V_l=\frac{L_l}{t_l}=\frac{86.592}{18.333}=4.723\frac{M}{\sec }(17\mathrm{KM}/h)$

等加速度 $\mathrm{\α}=\frac{V_e-V_s}{t_1}=\frac{7.0464-2.4}{18.333}=0.2534\frac{M}{{\sec }^2}$

60kg的人体在此承受的加速度力F_e＝m×a＝60×0.2534＝15.192牛顿

以下求“行波路”的另一主要参数，即“铺板”前后沿的振幅A，见附图2，先由图2弄清“提升段”的角度关系，其中α＝3.973°为“提升段”的坡度角，β＝实际的路面下滑角，车辆由其重力在此路面上产生向前运动的推力，θ＝α+β＝行波波峰前波谷后的一段线(零点附近)与行波自身零线间的夹角，tgθ为波在其零点处的斜率，m×a表加速度方向，也就是车辆运动的方向，m×g为车辆的重力，N为车轮对路面的正压力。

有式A＝λ×S/6.28＝0.159λ×s＝0.159×λ×tgθ，由于α为已知，求出β即可得到θ，由角β本应等于Fr/m×g，但是这里希望求出的β角能产生大于运动阻力Fr的推力以保证运动暂取此余量为1.5，即 $\mathrm{\β}={\sin }^{-1}\frac{1.5\mathrm{Fr}}{m\×g}$

F_r＝F_t+F_a+F_w，其中

F_t＝[m×g×cosβ+(m×a+0.27216V²)sin(α+β)]0.015，其中0.015为滚动摩擦系数。

F_a＝m×a×cosθ＝m×a×cos(α+β)

其中0.27216为以 计算速度的风阻系数。

将已知参数如质量m，地心加速度g，加速度a，α角等一并代入上列各式后得到： $\mathrm{\β}={\cos }^{-1}\frac{524.3+0.01483V^2}{{(32.013+0.2719V^2)}^2+{(527.3+0.1483V^2)}^2}$

将各个“铺板”处的速度V值代入上式，可得各处应有的β值，从而算出θ值

在始端V_b＝2.4，代入上式，β_b＝7.75°    θ₆＝α+β6＝11.723°

在末端V_e＝7.0464         β_e＝11.9°    θ_e＝15.873°

在第n处“铺板”处 $V_n=\frac{D_n}{T/12}=\frac{0.5+\mathrm{n\Δ}}{0.20833}\frac{M}{\sec }$

A_b＝0.159×λ_b×tgθ_b＝0.159×6×tg11.723＝0.198M

A_e＝0.159×λ_e×tg θ_e＝0.159×17.616×tg15.873＝0.796M

前已提及，在“导入段”的第1块“铺板”的前沿振幅为零，而第40块“铺板”，即最后一块“铺板”的后沿应与“提升段”第1块铺板的前沿相连，即由同一驱动单元带动，其振幅为±0.198M，而中间的各“板”的振幅则可由零到0.198间按顺序直线变化。

第三段“过渡段”的第一块板的前沿应与“提升段”的最后一块板的后沿相连，由同一块驱动单元带动，其振幅应为±0.796M，第末块板的后沿振幅为零，中间各板正如“导入段”一样由±0.796到0间按顺序直线变化，暂定此段长L_t＝29.36M，由20块长为1.468M的“铺板”组成。

在重力下滑段车辆应以允许的最高速度7.0464M/sec(25.37km/h)作恒速下滑，即重力在斜面上产生的沿车辆前进方向的分力正好等于该速度的运动阻力，此阻力为：

F_r＝F_t+F_w＝m×g×cos×0.015+0.27216V²＝m×g×sin

其中为此重力下滑段的坡度角，由上式解二次方程得＝1.845°

坡路长

运行时间 $t_d=\frac{186.36}{7.0164}=26.45\sec$

现观察车辆在水平路上作惯性减速运行的情况，此处为一变加速运动，先求运动持续时间t_l，条件为初速V_b＝7.0464M/sec，末速V_e＝2.5M/sec，摩擦阻力F_f＝ 9.81×m×0.015＝0.174M，风阻F_w＝0.27216V²，总阻力F_r＝F_f+F_w＝0.147m+0.27216V²由F＝m×a， $a=-\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}=-\frac{F}{m}=-\frac{0.147m+0.27216V^2}{m}$ $d_t=\frac{-\mathrm{mdV}}{0.147m+0.27216V^2}=\frac{-80\mathrm{dV}}{11.77+0.27216V^2}=\frac{-293.9\mathrm{dV}}{43.25+V^2}$ $t_i=-293.9{\∫}_{V_b}^{V_e}\frac{\mathrm{dV}}{43.25+V^2}=-293.9{\∫}_{V_b}^{V_e}\frac{\mathrm{dV}}{{6.595}^2+V^2}$ $=-293.9\frac{1}{6.595}(\mathrm{arctg}\frac{2.5}{6.595}-\mathrm{arctg}\frac{7.0464}{6.595})=20.33\sec$

再求运动距离L_i      条件如前L＝-Vdt $\mathrm{dt}=\frac{-\mathrm{mdV}}{0.147m+0.27216V^2}$ $L_i={\∫}_{V_b}^{V_e}\frac{-\mathrm{VmdV}}{0.147m+0.27216V^2}={\∫}_{V_b}^{V_e}\frac{-\mathrm{vdV}}{0.147+0.034}$ $=\frac{-1}{2\×0.0034}[\mathrm{Ln}(0.147+{0.0034\mathrm{Ve}}^2)-\mathrm{Ln}(0.147+0.0034{\mathrm{Vb}}^2)]=92.65M$

本段平均速度 $V_i=\frac{L_i}{t_i}=\frac{92.65}{20.33}=4.56M/\sec (16.4\mathrm{KM}/h)$

本路段具有如下两个特点：1、处于地平面上；2、特别是在末端车速低。因此适合与普通道路联接，即成为车辆进入和驶出本储能式有源道路的最佳地点。

事实上每一个路段都可根据实际需要加以变更，例如：本线路需要跨越很长的交通干线甚至是河流，露天广场，就可将“过渡段”加以延长，并使其中大部份长度的振幅A保持在平驶需要值(即：较小的恒定值)，仅在将与非行波路段连接时才把A值逐渐减少至零，而“惯性减速段”的长短更可视进出口的需要加以变更，如果在郊区，路段的循环可以延长，车辆提升高度可以增加，重力下滑段也就随之延长。

为保证安全正如现今城市高架路一样，本***中除处于地平面地“惯性减速段”外都应加上足够高的护栏。

本道路系路与专利申请号98126312.7中叙及的***相比造价要低些，因为一方面是行波路段在一般情况下都很短，另一方面由于本***中行波路段多为非连续的，一小段小段的，因此没有各个压油机组间的同步问题，使复杂性降低和可靠性增高，最后本***不利用人工风、道路无需作成管状，也无风机***，去除了人工风引起的一些问题。

本道路***除减少了骑自行车人的体力付出外，也为电动自行车甚至是电动汽车的实用化创造了条件，因为这类以蓄电池为动力的车辆始终存在着能量不足和行驶路程短的问题，有了本道路***，此类车辆只需在进入前和驶离本路后时才使用自己的能源，更进一步还存在着利用本路进行充电的可能性。

按以上参数设计的线路，使用了最高25Km/h的车速，但也获得了可观的平均速度，计算如下：

全程长L_s＝L_g+L_l×cosα+L_t+L_d×cos+L_i

        ＝20+86.592×cos3.973+29.36+186.36cos1.845°+92.65＝414.65M

全程时间 $t_s=\frac{20}{2.4}+18.33+\frac{29.36}{7.0464}+26.45+20.33=77.55\sec$

总平均速度 $V_s=\frac{414.65}{77.55}=5.347M/\sec (19.25\mathrm{KM}/h)$

如果作为供小汽车及电动汽车使用的储能有源快车道，上例中的参数应大幅度地修改，而且往往须视建设地点的实际情况而定。

由于储能式行波路需要使车辆运行在较大的斜平面上，为此其路面单元应有较大的垂直振幅，由于每个波长由有限个路面单元组成，即行波波形将不够园滑，车行至“铺板”交接处会发生振动，尤其是运行在接近负峰处的阻力小的车辆的振动会更显著，解决办法是增加组成每个波长的“铺板”数目，例如增至18块、24块等等，当然成本会随之增加。

在拥挤的市区往往没有架设此道路的地面，可将其所有路段同时架空，使之跨越在原有道路之上。

本有源道路***除建设供以通行自行车为主的慢车道及以通行小型电车、电动汽车为主的快车道外还可建成游乐场中的环形有源车道，旅游区内的环形观光车道，使游客能领略到既能“自行”又能自如操纵的无动力车辆。

Claims (5)

1、一种向车辆提供动力的有源道路，其特征在于有源和无源路段交替设置，车辆行驶在有源路段时不仅获得了即时行驶的能量，同时还将部分能量加以存储，供行驶在下一段无源路段时使用。

2、权利要求1述及的有源路段，其特征在于利用斜置的机械行波“路面”提高车辆的高度，以此存储位能，与此同时“机械行波”的波速随波长的逐渐增加而增加，以车速的增加存储动能。更利用车轮多余的转动力发电给蓄电池充电以存储化学能。

3、权利要求1述及的无源路段，其特征在于紧随有源路段的是一段利用车辆位能的下滑坡路，然后是一段利用车辆动能的减速平路。

4、权利要求1述及的道路其特征在于有源路段逐渐爬高，其路下空间用以通行另一道路或河流等，即立体交叉，在无源路段的减速末端，设有车辆进出本道路***的岔路口。

5、权利要求2述及的道路***，其特征在于可以不存储位能，即全程无坡路存在。

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