基于间歇式充电的纯电动公交运营模式探索*

付 翔 王玉刚 龙成冰 刘 帅

(武汉理工大学汽车工程学院 武汉 430070)

基于间歇式充电的纯电动公交运营模式探索*

付 翔 王玉刚 龙成冰 刘 帅

(武汉理工大学汽车工程学院 武汉 430070)

为了解决纯电动汽车由于充电设施不足和电池技术存在难题所导致的推广难的问题，针对公交车的特定运行条件，对纯电动公交运营模式进行了探索研究，提出了基于间歇式充电的纯电动公交运营模式.间歇式充电运营模式主要方法是通过增加运营车辆的方法来延长车辆间歇时段的充电时间，从而得出增车数与配备最小动力电池之间的关系式，使得车辆所配备的动力电池和所需充电设备减少.结合武汉公交实例，将间歇式充电运营模式与传统公交运行模式进行比较.结果表明，采用间歇式充电运营模式，车辆的整车质量、动力电池容量、每公里耗电量和公交运营成本明显减小，增大了纯电动汽车应用于公交线路的可行性.

运营模式；间歇式充电；纯电动公交；增车数；计算方法

由于中国城市环境污染的日益恶化，政府加大了对纯电动汽车的支持力度，促进了纯电动汽车的快速发展，使得纯电动汽车已经具备了一定规模的生产能力[1].现今城市纯电动公交普遍采用传统运营模式，但由于其存在电池比容量过低、叙述里程不足、充电设施缺少等难点，使得纯电动汽车在广泛推广上具有一定的难度[2].研究间歇式运营模式，得出其计算方法，对纯电动汽车在公交线路上的运行和推广具有很重要的实际意义，也是解决纯电动汽车进行广泛推广的可行性方法之一.

1 间歇式充电运营模式的概念

车辆在换车次的间歇时间中充电时，由于充电时间较短，可以采用较大的充电倍率进行充电[3]，但对充电设备的放电功率要求较高.间歇式充电运行模式就是指通过增加车辆数量来延长纯电动汽车在换车次间歇中的充电时长来满足车辆的行驶总里程要求，同时不改变外界对车辆运行实际需求的一种运营模式.在该运行模式中，由于白天补电过程中动力电池SOC值维持较高，故采用较小的充电电流，电能主要来源于移动充电设备；晚间通过大型充电设备进行充电，运营模式如图1所示.

图1 间歇式充电方式运行模式示意图

间歇式充电方式运营模式有利于降低动力电池的配比容量，从而减轻了整车质量，降低了能耗；有利于提高动力电池的寿命[4]；降低了充电设备的需求要求；在不改变外界对公交车的实际需求的同时，降低了纯电动汽车在公交车上的推广成本和难度，具有较好的实用性和可操作性.

2 间歇式充电运营模式的计算方法

2.1 间歇式充电方式运营模式的计算思路

与传统的内燃机公交车运营模式相比，间歇式充电运行模式的最大区别之处就是，车辆到站之后需要停靠一段时间用于补电，补电时间的长短由动力电池容量和增车数量决定，故间歇式充电方式运行模式的计算方法中最重要的是确定所选配动力电池的容量Q和增车数Z之间的关系式.其计算的主要流程如图2所示，各个符号代表的参数意义及单位，见表1.

图2 间歇式充电方式运行模式计算方法流程图

符号意义单位q每公里平均耗电量kWh/kmL线路行驶里程(往返)kmN每辆车运行趟数Y在线运行车辆数Q1预配动力电池容量kWhX间歇式脉冲充电倍率w动力电池模块比能kg/(kWh)Pn夜间小型充电桩额定功率kWQ2动力电池最小容量kWhZz白天所需充电接口数Zn晚间所需充电桩数V平均车速km/hP车载空调平均功率kWTc充电操作所需时间minT理论发车间隙时间minb动力电池最低SOC值%M1满载裸车车重(不含动力电池)kgTn夜间允许充电时长hZ增车数Q动力电池容量kWhPz白天充电接口所需充电功率kW

每公里平均耗电量q和平均车速V既可以通过试验车型在该线路上进行测试测得，也可以通过工况循环求得，其中q考虑整车质量的影响，与动力电池电量Q存在一定关系.其中计算模块-1具体步骤如下.

1) 根据定线路里程数L和每公里平均耗电量q以及平均车速V计算出每辆电动汽车白天所消耗总电能W，其计算公式为

(1)

2) 根据预配动力电池容量Q1和动力电池最低SOC值b以及动力电池的间歇式脉冲充电倍率x计算出每辆电动汽车所需累计最少充电时长tm，其计算公式为

(2)

3) 根据充电所需操作时间tc和每辆电动汽车每天运行趟数N以及理论发车间隙时间T计算所需增车数Z，其计算公式为

(3)

4) 根据以上所求的增车数Z计算此时所需选配的动力电池最小容量Q2，其计算公式如下.

(4)

其中计算模块-2具体步骤如下.

基于确定的Q和Z计算白天所需充电接口数为Zz和充电桩的最大充电功率Pz，其计算公式如下.

Zz=Z+1

(5)

Pz=Q×X

(6)

其中计算模块-3具体步骤如下.

基于确定的Q和Z计算晚间所需充电桩数Zn，其计算公式如下.

(7)

2.2 间歇式充电运营模式的具体计算实例

2.2.1q和V城市循环工况理论值确定

参考中国典型城市公交工况循环[5]计算q和V，计算时所需要的整车参数见表2.

根据中国典型城市工况循环图和表2的数据计算得，车辆的平均车速V.

(8)

根据预配动力电池容量Q1计算整车装备质

表2 公交车循环工况整车参数

量(包括额定装载)M.

M=m1+Q1×w

(9)

车辆的瞬时需求功率Pt[6].

“五千年来不断绵延、不断展扩之历史事实，便足以证明中国文化优异之价值。”〔3〕中华优秀传统文化是中华民族复兴、中国特色社会主义发展的文化沃土，是发展当代中国马克思主义的丰厚滋养，可为治国理政提供有益启示。正如习近平总书记所言，中国优秀传统文化蕴含了丰富的哲学思想、人文精神、教化思想、道德理念等，可以为人们认识和改造世界提供有益启迪，可以为治国理政提供有益启示，也可以为道德建设提供有益启发。

(10)

当瞬时需求功率Pt小于零时，处于制动能量回收状态.不同的车型，制动能量回收率不同[7]，这里根据实车道路试验取制动能量回收率为15%.

故中国典型城市工况的总能耗Wm:

(11)

考虑到公交车在行驶的过程中不可能一直满载，故需要乘以一个人员流动系数85%[8]；另考虑到车辆实际运行中车灯等电气设备用电量较小，计算时没有考虑在内,则此车重下的每公里平均耗电量q：

(12)

2.2.2Z和Q计算与确定

武汉公交线路579路(车站路粤汉码头-沌口体育中心停车场)，停靠在沌口体育中心停车场内，与车城北路充电站紧邻，可以将通过车城北路充电站将充电桩修至沌口体育中心停车场内，使得公交车能够依靠终点站内充电桩充电，适合在该定线路上推行纯电动公交.以此线路为基础核算间歇式充电方式的纯电动公交运营模式，计算参数如表3所列.

将以上数据和计算所得q和V代入式(1)～(4)计算可得：

Z=3，Q2=216.79 kWh

由式(9)～式(12)可知，不同的动力电池容量

表3 计算方法中与线路有关的原始参数

Q对q存在影响，而以上计算时采用前一步所得的Q计算所得q，存在不精确性.将式(10)和(11)进行整合得：

Wm=AM+B

(13)

当功率Pt小于0时，A,B值的15%明显小于Pt大于0时的A,B值，故证明时可忽略Pt小于0.

显然A>0,B>0.将式(4),(9),(12),(13)进行整合，式中动力电池容量均用Q代替，令

则：

(14)

故

Q=kQ+D

(15)

式中：

因此：k,D>0

故式(15)所求Q收敛，即采用式(4)～式(12)计算动力电池容量时具有收敛性[9].

将计算所得Q2当作Q1代入式(4)～式(12)迭代计算，直至Q1≈Q2时即为计算所得动力电池最小容量Q2，最终根据动力电池实际型号确定动力电池实际容量.迭代计算结果见表4.

表4 Z=3时动力电池最小容量计算结果表

根据计算结果，当增车数为3时，动力电池最小容量226.70 kWzh，根据实际情况确定动力电池容量Q=230 kWh.

当增车数为2时，依照以上计算方式，求得动力电池最小容量315.35 kWh，根据实际情况确定动力电池容量Q=320 kWh.

为了降低车辆配备动力电池容量，较少能耗,最终选择Z=3，Q=230 kWh，tm=95 min.

2.2.3 充电设备的确定

根据所确定的Q和Z计算白天所需充电接口数为Zz和充电桩的最大充电功率Pz如下.

Zz=Z+1=4

(16)

Pz=Q×X=230 kWh

(17)

根据所确定的Q和Z计算晚间所需充电桩数Zn如下.

(18)

3 传统公交运营模式能耗计算

传统公交运营模式是指公交车在运行的过程中不用补充能量，车辆正常行驶完全不受到站时刻影响[10].对于纯电动汽车如按照传统公交运营模式，则要求交车所配备动力电池容量能够满足车辆白天能耗需求，晚间车辆到站停靠后，在对车辆进行统一充电.

同样基于武汉公交579线路，总长46km，每趟车每天运行6次，同时应保证最低剩余30%的SOC值.车辆平均车速V和每公里平均耗电量q仍基于中国城市公交循环计算.

计算得动力电池配备容量:Q=960 kWh

整车质量：M=27 520 kg

每公里平均耗电量：q=1.81 kWh/km

晚间所需配备充电桩数：

=21

(19)

传统运营模式需要的充电桩数明显大于间歇式充电运营模式所需要的充电桩数，表明充电桩的功率需增大才能满足晚间充电要求，计算所得Zn=21时，Pn=84 kW.

4 与传统运营模式的对比

4.1 2种公交运营模式能耗比较

2种公交运营模式的计算结果对比，见表5.

表5 2种公交运营模式计算结果对比

在车辆运行过程中，传统运营模式中间不存在停车间歇时间，假设其车辆中间停歇相同的时间，动力电池的SOC变换曲线见图3.

图3 2种运营模式下的SOC变化示意图

从表5和图3可知，如果采用传统的运营模式，由于动力电池技术的限制，使得纯电动汽车在城市公交线路上推广可能性大大降低.由于间隙式运营模式中途的不停补电，动力电池SOC总是维持在较高的水平，有利于延长动力电池使用寿命.另纯电动汽车线路长度、线路班次差异等会对电动汽车的充电效率产生影响，考虑到计算模型的理想化，计算时没有考虑在内.

4.2 两种运营模式的运营成本比较

采用间歇式充电运营模式，在增车数和人力成本增加的同时，所需匹配动力电池的数量和充电桩数却相应的减少，另考虑到整体质量的减少所引起的耗电量的下降，车辆运营的成本必然会发生变化.总运营成本是包括车辆、充电桩、人力和总耗电量成本等的总和.以公交报废期8年，每台公交成本200万元，每座充电桩成本1万元和电价0.8元/(kWh)为条件，忽略其他相同且次要因素，基于武汉公交579计算可得，在公交报废期期间内，间隙式充电运营模式的总成本比传统运营模式减少19%.

5 结 束 语

通过对公交车运行特点的分析，提出了基于间歇式充电的纯电动公交运营模式，并基于此运营模式得出了增车数和动力电池最小容量关系式.以中国城市公交循环为基础，基于武汉公交579的实例，对所提出的运行模式进行了理论计算.最后，对比了基于间歇式充电运营模式和传统运营模式下计算所得的各个车辆参数，结果表明，纯电动公交采用基于间歇式充电的运营模式降低了动力电池的需求容量，因此降低了能耗和充电设施需求要求，同时降低了公交运营总成本，增加了纯电动汽车在公交上的可行性.以此类推，间歇式充电方式运营模式也可以应用于其他定线路上，只需修改少量计算参数即可满足要求.目前，基于间歇式充电的纯电动公交运行模式没有实际应用实例，另外计算过程中大部分数据为理论值和经验值，缺少实车验证与修正，有待于进一步的优化.

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Exploration of Electric City Bus Operation Pattern Based on the Intermittent Charging

FU Xiang WANG Yugang LONG Chengbing LIU Shuai

(SchoolofAutomotiveEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan4300702,China)

In order to solve the problem of promoting electric vehicles due to the lack of charging facilities and battery technology problems, considering the specific operating conditions of buses, the exploration of electric buses operation patterns was carried out and an electric buses operation pattern based on intermittent charging was put forward. By increasing the number of operating vehicles, the intermittent charging operation pattern could prolong the charge time during the intermittent period and then obtained the relationship between the number of added vehicles and the minimum battery capacity equipped, which reduced battery capacity and the number of charging equipments. Finally, based on practical case of Wuhan buses, the paper compared the intermittent charging operation pattern with traditional bus operation pattern. The comparison result shows that vehicle mass, power battery capacity, power consumption per kilometer adopting the former operation pattern and the operating cost of vehicle are remarkably reduced, increasing the feasibility of electric vehicles applied to bus routes.

operation pattern； intermittent charging； electric city bus； the increasing number of vehicles； calculation method

2015-03-15

*中央高校基本科研业务费专项资金项目(批准号：2014-Ⅱ-004)、武汉市科学技术局基金项目(批准号：2013011801010596)资助

U469.72；U492.2

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.04.009

付 翔(1973- )：女，工学博士，副教授，主要研究领域为新能源汽车及动力系统