纯电动城市客车小电量配置快速充电运营模式分析

2020-11-24范志航杨国森赵鹏辉马黎阳

客车技术与研究 2020年2期

范志航，杨国森，赵鹏辉，王毅，马黎阳，尚岩

(郑州宇通客车股份有限公司，郑州 450016)

现有纯电动车辆一般采用大电量配置慢速充电模式，车辆配置较大电量可满足一天运营[1]，夜间停运时间用于给车辆充电。随着国家逐渐取消对电动车辆补贴，转而增加对充电设施的补贴，车辆配置较小电池能量，采用小电量配置快速充电模式，利用车辆周转间隙进场快充补电[2]，不仅可有效降低车辆成本、重量和能耗[3]，而且可提高充电设备利用率。

1 小电量配置快速充电运营模式方案

小电量配置快速充电运营模式，利用城市客车发车间隔时间快速补电，每次充电时间约10～15 min或5～8 min(有效充电时间)，单次补电可满足30～50 km运营里程，进而减少车辆电池能量配置，降低车辆成本[4]和重量，提高运营效率。下面以某一运营线路城市客车为例，进行小电量配置快速充电运营模式方案分析。

市场调研某一公交线路共运营22辆12 m城市客车，车辆早上5:20发车，晚上21:40结束运营。该线路往返一圈里程24 km，时间2 h，全天单车共往返8～9圈、运营里程213 km、平均电耗为0.92 kWh/km，运营结束回场要求电池预留15%电量。线路客流高峰时间段为上午7:00～9:00，下午16:30～18:00，客流低峰期进站停靠时间为12 min。

1)大电量配置慢速充电模式下，车辆需配置的电池能量分析。车辆电池能量满足全天运营，利用夜晚时间给车辆充电，车辆运营全天耗电量为：车辆电耗×运营里程=0.92×213≈196 kWh，为保证车辆结束运营能顺利回到场站，设计车辆电量时需预留15%回场电量，则车辆需配置电池能量为： 196/0.85≈231 kWh。

2)小电量配置快速充电模式下，车辆需配置的电池能量分析。根据车辆早上发车、夜间回站时间及单圈往返时间，客流低峰期可用于充电3次，停站时间12 min，其中车辆有效充电时间为6 min，地面充电设备按照300 kW功率，充电效率为93%，单次充电电量为：充电设备功率×充电时间×充电效率=300×(6/60)×0.93≈27.9 kWh，全天充电3次补充电量为83.7 kWh，则小电量配置快速充电模式下，车辆电池能量为：(196-83.7)/(1-15%)≈132 kWh；同时，结合实际运营情况，车辆需满足能够往返3圈，需电池能量为：24×0.92×3/(1-15%)≈78 kWh，故车辆需配置电池能量取最大值132 kWh。

根据以上对比分析，该公交线路采用小电量配置快速充电模式较大电量配置慢速充电模式，电池能量可减少约99 kWh。

2 运营模式优劣势对比分析

1)场站方面。大电量配置慢速充电模式，白天车辆全部用于运营，夜晚结束运营后集中停放在场站进行充电，需建设能够满足所有车辆停放、充电的大型充电场站[5]；小电量配置快速充电模式，需在线路首末场站建设快充设施，因车辆电池少充电快，车辆可快速充满电后停靠在场站周边，场站规模及建设更加灵活[6]。

2)运营方式。大电量配置慢速充电模式，白天时间不需补电，车辆使用及调度方面灵活性高；小电量配置快速充电模式，运营1～3圈需补电一次，补电方式可利用低峰回场间歇时间(10～15 min)补电，充电速度快，单次补电可运营30～50 km，运营模式灵活。

3)充电成本。大电量配置慢速充电模式，车辆一次充满电需5～8 h，可利用夜间波谷时间充电，充电时间长、充电成本低。结合以上公交运营案例，单车夜晚充电电费为：车辆电池能量×(1-15%)/充电效率×低谷电价=231×85%/93%×0.32≈67.5元。

小电量配置快速充电模式，夜间利用波谷充电，白天利用运营低峰回场间歇补电10～15 min，充电成本相对较高。结合以上公交运营案例，单车白天充电电费为：单次充电电量×单日充电次数/充电效率×平段电价=27.9×3/93%×0.61≈54.9元；夜晚充电电费为：车辆电池能量×85%/充电效率×低谷电价=132×85%/93%×0.32≈38.6元；总费用=54.9+38.6=93.5元；小电量配置快速充电模式较大电量配置慢速充电模式，单车单日充电增加成本为：93.5-67.5=26元。

该线路城市客车，按照一年360天运营，运营8年，小电量配置快速充电模式较大电量配置慢速充电模式，单车增加成本为：26×360×8≈7.5万元。

4)充电设备。大电量配置慢速充电模式，充电机配套功率一般为电池储能的2～4倍[7]，充电设备与车辆配比为1∶(2～4)[8]。如以上案例中，车辆夜间停运充电时间为7 h，按照充电机和车辆配比1∶4，则充电机功率为：车辆电池能量×4/(夜间充电时间×充电效率)=231×4/(7×0.93)≈142 kW，可匹配150 kW功率充电机；充电机数量为：线路车辆数/充电机和车辆配比=22/4≈6台。设1台150 kW充电机价格约9万元，则该线路匹配6台，充电机的成本约54万元，折合至线路车辆，单车成本约2.5万元。

小电量配置快速充电模式，充电设备与车辆配比为1∶(8～10)，充电设备少，白天利用进站间歇补电，充电设备利用率高[9]，但电池充电安全性有待市场验证[10]。如以上案例中，白天车辆间隔时间为15 min，往返时间为2 h，车辆往返时间内1台快充设备可为8辆车充电，故快充设备和车辆的配比为1∶8，快充设备数量为：线路车辆数/快充设备和车辆配比=22/4≈3台。根据目前市场快充车辆电池信息[11]，电池充电电流可达到500 A，充电电压为600 V，则快充设备匹配功率为300 kW，其成本约38万元，则该线路匹配3台，快充设备成本为：38×3=114万元，折合至线路车辆，单车成本约5.1万元。

充电设备方面，小电量配置快速充电模式较大电量配置慢速充电模式，单车增加成本约2.6万元。

5)车辆方面。小电量配置快速充电模式，电池能量少，车辆购置成本低，整车重量轻，用材少，同时在车辆报废后电池二次回收带来的污染少[12]。如以上运营案例中，小电量配置快速充电模式较大电量配置慢速充电模式，单车电池减少电量约99 kWh，设1 kWh电池能量价格约为1 550元、质量约为6 kg，则单车成本减少约15.4万元、电池质量减少约594 kg；车辆重量减少还会降低车辆使用材料、制造成本；但车端需增加快充充电接口。综合考虑，小电量配置快速充电模式单车成本减少约12.5万元。

根据以上分析，结合市场产品价格，小电量配置快速充电模式较大电量配置慢速充电模式，单车购置成本及使用8年运营成本，综合后共节约成本约12.5-2.6-7.5=2.4万元，同时单车质量可减少约594 kg(可减少整车用材)。

该方法可同样用于纯电动城市客其他线路及车型分析，如另外某线路10.5 m纯电动城市客车的对比分析结果为：小电量配置(180 kWh)快速充电模式较大电量配置(300 kWh)慢速充电模式，单车购置成本及使用8年运营成本综合后节约成本约3.6万元，质量减少约700 kg。