純電動(dòng)城市客車小電量配置快速充電運(yùn)營(yíng)模式分析

范志航， 楊國(guó)森， 趙鵬輝， 王 毅， 馬黎陽(yáng)， 尚 巖

(鄭州宇通客車股份有限公司， 鄭州 450016)

現(xiàn)有純電動(dòng)車輛一般采用大電量配置慢速充電模式，車輛配置較大電量可滿足一天運(yùn)營(yíng)[1]，夜間停運(yùn)時(shí)間用于給車輛充電。隨著國(guó)家逐漸取消對(duì)電動(dòng)車輛補(bǔ)貼，轉(zhuǎn)而增加對(duì)充電設(shè)施的補(bǔ)貼，車輛配置較小電池能量，采用小電量配置快速充電模式，利用車輛周轉(zhuǎn)間隙進(jìn)場(chǎng)快充補(bǔ)電[2]，不僅可有效降低車輛成本、重量和能耗[3]，而且可提高充電設(shè)備利用率。

1 小電量配置快速充電運(yùn)營(yíng)模式方案

小電量配置快速充電運(yùn)營(yíng)模式，利用城市客車發(fā)車間隔時(shí)間快速補(bǔ)電，每次充電時(shí)間約10～15 min或5～8 min(有效充電時(shí)間)，單次補(bǔ)電可滿足30～50 km運(yùn)營(yíng)里程，進(jìn)而減少車輛電池能量配置，降低車輛成本[4]和重量，提高運(yùn)營(yíng)效率。下面以某一運(yùn)營(yíng)線路城市客車為例，進(jìn)行小電量配置快速充電運(yùn)營(yíng)模式方案分析。

市場(chǎng)調(diào)研某一公交線路共運(yùn)營(yíng)22輛12 m城市客車，車輛早上5:20發(fā)車，晚上21:40結(jié)束運(yùn)營(yíng)。該線路往返一圈里程24 km，時(shí)間2 h，全天單車共往返8～9圈、運(yùn)營(yíng)里程213 km、平均電耗為0.92 kWh/km，運(yùn)營(yíng)結(jié)束回場(chǎng)要求電池預(yù)留15%電量。線路客流高峰時(shí)間段為上午7:00～9:00，下午16:30～18:00，客流低峰期進(jìn)站?？繒r(shí)間為12 min。

1)大電量配置慢速充電模式下，車輛需配置的電池能量分析。車輛電池能量滿足全天運(yùn)營(yíng)，利用夜晚時(shí)間給車輛充電，車輛運(yùn)營(yíng)全天耗電量為：車輛電耗×運(yùn)營(yíng)里程=0.92×213≈196 kWh，為保證車輛結(jié)束運(yùn)營(yíng)能順利回到場(chǎng)站，設(shè)計(jì)車輛電量時(shí)需預(yù)留15%回場(chǎng)電量，則車輛需配置電池能量為： 196/0.85≈231 kWh。

2)小電量配置快速充電模式下，車輛需配置的電池能量分析。根據(jù)車輛早上發(fā)車、夜間回站時(shí)間及單圈往返時(shí)間，客流低峰期可用于充電3次，停站時(shí)間12 min，其中車輛有效充電時(shí)間為6 min，地面充電設(shè)備按照300 kW功率，充電效率為93%，單次充電電量為：充電設(shè)備功率×充電時(shí)間×充電效率=300×(6/60)×0.93≈27.9 kWh，全天充電3次補(bǔ)充電量為83.7 kWh，則小電量配置快速充電模式下，車輛電池能量為：(196-83.7)/(1-15%)≈132 kWh；同時(shí)，結(jié)合實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況，車輛需滿足能夠往返3圈，需電池能量為：24×0.92×3/(1-15%)≈78 kWh，故車輛需配置電池能量取最大值132 kWh。

根據(jù)以上對(duì)比分析，該公交線路采用小電量配置快速充電模式較大電量配置慢速充電模式，電池能量可減少約99 kWh。

2 運(yùn)營(yíng)模式優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比分析

1)場(chǎng)站方面。大電量配置慢速充電模式，白天車輛全部用于運(yùn)營(yíng)，夜晚結(jié)束運(yùn)營(yíng)后集中停放在場(chǎng)站進(jìn)行充電，需建設(shè)能夠滿足所有車輛停放、充電的大型充電場(chǎng)站[5]；小電量配置快速充電模式，需在線路首末場(chǎng)站建設(shè)快充設(shè)施，因車輛電池少充電快，車輛可快速充滿電后?？吭趫?chǎng)站周邊，場(chǎng)站規(guī)模及建設(shè)更加靈活[6]。

2)運(yùn)營(yíng)方式。大電量配置慢速充電模式，白天時(shí)間不需補(bǔ)電，車輛使用及調(diào)度方面靈活性高；小電量配置快速充電模式，運(yùn)營(yíng)1～3圈需補(bǔ)電一次，補(bǔ)電方式可利用低峰回場(chǎng)間歇時(shí)間(10～15 min)補(bǔ)電，充電速度快，單次補(bǔ)電可運(yùn)營(yíng)30～50 km，運(yùn)營(yíng)模式靈活。

3)充電成本。大電量配置慢速充電模式，車輛一次充滿電需5～8 h，可利用夜間波谷時(shí)間充電，充電時(shí)間長(zhǎng)、充電成本低。結(jié)合以上公交運(yùn)營(yíng)案例，單車夜晚充電電費(fèi)為：車輛電池能量×(1-15%)/充電效率×低谷電價(jià)=231×85%/93%×0.32≈67.5元。

小電量配置快速充電模式，夜間利用波谷充電，白天利用運(yùn)營(yíng)低峰回場(chǎng)間歇補(bǔ)電10～15 min，充電成本相對(duì)較高。結(jié)合以上公交運(yùn)營(yíng)案例，單車白天充電電費(fèi)為：?jiǎn)未纬潆婋娏俊羻稳粘潆姶螖?shù)/充電效率×平段電價(jià)=27.9×3/93%×0.61≈54.9元；夜晚充電電費(fèi)為：車輛電池能量×85%/充電效率×低谷電價(jià)=132×85%/93%×0.32≈38.6元；總費(fèi)用=54.9+38.6=93.5元；小電量配置快速充電模式較大電量配置慢速充電模式，單車單日充電增加成本為：93.5-67.5=26元。

該線路城市客車，按照一年360天運(yùn)營(yíng)，運(yùn)營(yíng)8年，小電量配置快速充電模式較大電量配置慢速充電模式，單車增加成本為：26×360×8≈7.5萬(wàn)元。

4)充電設(shè)備。大電量配置慢速充電模式，充電機(jī)配套功率一般為電池儲(chǔ)能的2～4倍[7]，充電設(shè)備與車輛配比為1∶(2～4)[8]。如以上案例中，車輛夜間停運(yùn)充電時(shí)間為7 h，按照充電機(jī)和車輛配比1∶4，則充電機(jī)功率為：車輛電池能量×4/(夜間充電時(shí)間×充電效率)=231×4/(7×0.93)≈142 kW，可匹配150 kW功率充電機(jī)；充電機(jī)數(shù)量為：線路車輛數(shù)/充電機(jī)和車輛配比=22/4≈6臺(tái)。設(shè)1臺(tái)150 kW充電機(jī)價(jià)格約9萬(wàn)元，則該線路匹配6臺(tái)，充電機(jī)的成本約54萬(wàn)元，折合至線路車輛，單車成本約2.5萬(wàn)元。

小電量配置快速充電模式，充電設(shè)備與車輛配比為1∶(8～10)，充電設(shè)備少，白天利用進(jìn)站間歇補(bǔ)電，充電設(shè)備利用率高[9]，但電池充電安全性有待市場(chǎng)驗(yàn)證[10]。如以上案例中，白天車輛間隔時(shí)間為15 min，往返時(shí)間為2 h，車輛往返時(shí)間內(nèi)1臺(tái)快充設(shè)備可為8輛車充電，故快充設(shè)備和車輛的配比為1∶8，快充設(shè)備數(shù)量為：線路車輛數(shù)/快充設(shè)備和車輛配比=22/4≈3臺(tái)。根據(jù)目前市場(chǎng)快充車輛電池信息[11]，電池充電電流可達(dá)到500 A，充電電壓為600 V，則快充設(shè)備匹配功率為300 kW，其成本約38萬(wàn)元，則該線路匹配3臺(tái)，快充設(shè)備成本為：38×3=114萬(wàn)元，折合至線路車輛，單車成本約5.1萬(wàn)元。

充電設(shè)備方面，小電量配置快速充電模式較大電量配置慢速充電模式，單車增加成本約2.6萬(wàn)元。

5)車輛方面。小電量配置快速充電模式，電池能量少，車輛購(gòu)置成本低，整車重量輕，用材少，同時(shí)在車輛報(bào)廢后電池二次回收帶來(lái)的污染少[12]。如以上運(yùn)營(yíng)案例中，小電量配置快速充電模式較大電量配置慢速充電模式，單車電池減少電量約99 kWh，設(shè)1 kWh電池能量?jī)r(jià)格約為1 550元、質(zhì)量約為6 kg，則單車成本減少約15.4萬(wàn)元、電池質(zhì)量減少約594 kg；車輛重量減少還會(huì)降低車輛使用材料、制造成本；但車端需增加快充充電接口。綜合考慮，小電量配置快速充電模式單車成本減少約12.5萬(wàn)元。

根據(jù)以上分析，結(jié)合市場(chǎng)產(chǎn)品價(jià)格，小電量配置快速充電模式較大電量配置慢速充電模式，單車購(gòu)置成本及使用8年運(yùn)營(yíng)成本，綜合后共節(jié)約成本約12.5-2.6-7.5=2.4萬(wàn)元，同時(shí)單車質(zhì)量可減少約594 kg(可減少整車用材)。

該方法可同樣用于純電動(dòng)城市客其他線路及車型分析，如另外某線路10.5 m純電動(dòng)城市客車的對(duì)比分析結(jié)果為：小電量配置(180 kWh)快速充電模式較大電量配置(300 kWh)慢速充電模式，單車購(gòu)置成本及使用8年運(yùn)營(yíng)成本綜合后節(jié)約成本約3.6萬(wàn)元，質(zhì)量減少約700 kg。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析具體線路的運(yùn)營(yíng)情況，如車輛首末班發(fā)車時(shí)間、單圈運(yùn)營(yíng)里程、全天運(yùn)營(yíng)圈數(shù)、全天補(bǔ)電區(qū)間等，合理規(guī)劃車輛充電時(shí)間，小電量配置快速充電模式可有效降低車輛成本及減少車輛重量，有效節(jié)約電動(dòng)汽車成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著，具備廣闊的市場(chǎng)和應(yīng)用前景。