基于間歇式充電的純電動(dòng)公交運(yùn)營(yíng)模式探索*

付 翔 王玉剛 龍成冰 劉 帥

(武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院 武漢 430070)

基于間歇式充電的純電動(dòng)公交運(yùn)營(yíng)模式探索*

付 翔 王玉剛 龍成冰 劉 帥

(武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院 武漢 430070)

為了解決純電動(dòng)汽車由于充電設(shè)施不足和電池技術(shù)存在難題所導(dǎo)致的推廣難的問(wèn)題，針對(duì)公交車的特定運(yùn)行條件，對(duì)純電動(dòng)公交運(yùn)營(yíng)模式進(jìn)行了探索研究，提出了基于間歇式充電的純電動(dòng)公交運(yùn)營(yíng)模式.間歇式充電運(yùn)營(yíng)模式主要方法是通過(guò)增加運(yùn)營(yíng)車輛的方法來(lái)延長(zhǎng)車輛間歇時(shí)段的充電時(shí)間，從而得出增車數(shù)與配備最小動(dòng)力電池之間的關(guān)系式，使得車輛所配備的動(dòng)力電池和所需充電設(shè)備減少.結(jié)合武漢公交實(shí)例，將間歇式充電運(yùn)營(yíng)模式與傳統(tǒng)公交運(yùn)行模式進(jìn)行比較.結(jié)果表明，采用間歇式充電運(yùn)營(yíng)模式，車輛的整車質(zhì)量、動(dòng)力電池容量、每公里耗電量和公交運(yùn)營(yíng)成本明顯減小，增大了純電動(dòng)汽車應(yīng)用于公交線路的可行性.

運(yùn)營(yíng)模式；間歇式充電；純電動(dòng)公交；增車數(shù)；計(jì)算方法

由于中國(guó)城市環(huán)境污染的日益惡化，政府加大了對(duì)純電動(dòng)汽車的支持力度，促進(jìn)了純電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，使得純電動(dòng)汽車已經(jīng)具備了一定規(guī)模的生產(chǎn)能力[1].現(xiàn)今城市純電動(dòng)公交普遍采用傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)模式，但由于其存在電池比容量過(guò)低、敘述里程不足、充電設(shè)施缺少等難點(diǎn)，使得純電動(dòng)汽車在廣泛推廣上具有一定的難度[2].研究間歇式運(yùn)營(yíng)模式，得出其計(jì)算方法，對(duì)純電動(dòng)汽車在公交線路上的運(yùn)行和推廣具有很重要的實(shí)際意義，也是解決純電動(dòng)汽車進(jìn)行廣泛推廣的可行性方法之一.

1 間歇式充電運(yùn)營(yíng)模式的概念

車輛在換車次的間歇時(shí)間中充電時(shí)，由于充電時(shí)間較短，可以采用較大的充電倍率進(jìn)行充電[3]，但對(duì)充電設(shè)備的放電功率要求較高.間歇式充電運(yùn)行模式就是指通過(guò)增加車輛數(shù)量來(lái)延長(zhǎng)純電動(dòng)汽車在換車次間歇中的充電時(shí)長(zhǎng)來(lái)滿足車輛的行駛總里程要求，同時(shí)不改變外界對(duì)車輛運(yùn)行實(shí)際需求的一種運(yùn)營(yíng)模式.在該運(yùn)行模式中，由于白天補(bǔ)電過(guò)程中動(dòng)力電池SOC值維持較高，故采用較小的充電電流，電能主要來(lái)源于移動(dòng)充電設(shè)備；晚間通過(guò)大型充電設(shè)備進(jìn)行充電，運(yùn)營(yíng)模式如圖1所示.

圖1 間歇式充電方式運(yùn)行模式示意圖

間歇式充電方式運(yùn)營(yíng)模式有利于降低動(dòng)力電池的配比容量，從而減輕了整車質(zhì)量，降低了能耗；有利于提高動(dòng)力電池的壽命[4]；降低了充電設(shè)備的需求要求；在不改變外界對(duì)公交車的實(shí)際需求的同時(shí)，降低了純電動(dòng)汽車在公交車上的推廣成本和難度，具有較好的實(shí)用性和可操作性.

2 間歇式充電運(yùn)營(yíng)模式的計(jì)算方法

2.1 間歇式充電方式運(yùn)營(yíng)模式的計(jì)算思路

與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)公交車運(yùn)營(yíng)模式相比，間歇式充電運(yùn)行模式的最大區(qū)別之處就是，車輛到站之后需要停靠一段時(shí)間用于補(bǔ)電，補(bǔ)電時(shí)間的長(zhǎng)短由動(dòng)力電池容量和增車數(shù)量決定，故間歇式充電方式運(yùn)行模式的計(jì)算方法中最重要的是確定所選配動(dòng)力電池的容量Q和增車數(shù)Z之間的關(guān)系式.其計(jì)算的主要流程如圖2所示，各個(gè)符號(hào)代表的參數(shù)意義及單位，見表1.

圖2 間歇式充電方式運(yùn)行模式計(jì)算方法流程圖

符號(hào)意義單位q每公里平均耗電量kWh/kmL線路行駛里程(往返)kmN每輛車運(yùn)行趟數(shù)Y在線運(yùn)行車輛數(shù)Q1預(yù)配動(dòng)力電池容量kWhX間歇式脈沖充電倍率w動(dòng)力電池模塊比能kg/(kWh)Pn夜間小型充電樁額定功率kWQ2動(dòng)力電池最小容量kWhZz白天所需充電接口數(shù)Zn晚間所需充電樁數(shù)V平均車速km/hP車載空調(diào)平均功率kWTc充電操作所需時(shí)間minT理論發(fā)車間隙時(shí)間minb動(dòng)力電池最低SOC值%M1滿載裸車車重(不含動(dòng)力電池)kgTn夜間允許充電時(shí)長(zhǎng)hZ增車數(shù)Q動(dòng)力電池容量kWhPz白天充電接口所需充電功率kW

每公里平均耗電量q和平均車速V既可以通過(guò)試驗(yàn)車型在該線路上進(jìn)行測(cè)試測(cè)得，也可以通過(guò)工況循環(huán)求得，其中q考慮整車質(zhì)量的影響，與動(dòng)力電池電量Q存在一定關(guān)系.其中計(jì)算模塊-1具體步驟如下.

1) 根據(jù)定線路里程數(shù)L和每公里平均耗電量q以及平均車速V計(jì)算出每輛電動(dòng)汽車白天所消耗總電能W，其計(jì)算公式為

(1)

2) 根據(jù)預(yù)配動(dòng)力電池容量Q1和動(dòng)力電池最低SOC值b以及動(dòng)力電池的間歇式脈沖充電倍率x計(jì)算出每輛電動(dòng)汽車所需累計(jì)最少充電時(shí)長(zhǎng)tm，其計(jì)算公式為

(2)

3) 根據(jù)充電所需操作時(shí)間tc和每輛電動(dòng)汽車每天運(yùn)行趟數(shù)N以及理論發(fā)車間隙時(shí)間T計(jì)算所需增車數(shù)Z，其計(jì)算公式為

(3)

4) 根據(jù)以上所求的增車數(shù)Z計(jì)算此時(shí)所需選配的動(dòng)力電池最小容量Q2，其計(jì)算公式如下.

(4)

其中計(jì)算模塊-2具體步驟如下.

基于確定的Q和Z計(jì)算白天所需充電接口數(shù)為Zz和充電樁的最大充電功率Pz，其計(jì)算公式如下.

Zz=Z+1

(5)

Pz=Q×X

(6)

其中計(jì)算模塊-3具體步驟如下.

基于確定的Q和Z計(jì)算晚間所需充電樁數(shù)Zn，其計(jì)算公式如下.

(7)

2.2 間歇式充電運(yùn)營(yíng)模式的具體計(jì)算實(shí)例

2.2.1q和V城市循環(huán)工況理論值確定

參考中國(guó)典型城市公交工況循環(huán)[5]計(jì)算q和V，計(jì)算時(shí)所需要的整車參數(shù)見表2.

根據(jù)中國(guó)典型城市工況循環(huán)圖和表2的數(shù)據(jù)計(jì)算得，車輛的平均車速V.

(8)

根據(jù)預(yù)配動(dòng)力電池容量Q1計(jì)算整車裝備質(zhì)

表2 公交車循環(huán)工況整車參數(shù)

量(包括額定裝載)M.

M=m1+Q1×w

(9)

車輛的瞬時(shí)需求功率Pt[6].

“五千年來(lái)不斷綿延、不斷展擴(kuò)之歷史事實(shí)，便足以證明中國(guó)文化優(yōu)異之價(jià)值。”〔3〕中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化是中華民族復(fù)興、中國(guó)特色社會(huì)主義發(fā)展的文化沃土，是發(fā)展當(dāng)代中國(guó)馬克思主義的豐厚滋養(yǎng)，可為治國(guó)理政提供有益啟示。正如習(xí)近平總書記所言，中國(guó)優(yōu)秀傳統(tǒng)文化蘊(yùn)含了豐富的哲學(xué)思想、人文精神、教化思想、道德理念等，可以為人們認(rèn)識(shí)和改造世界提供有益啟迪，可以為治國(guó)理政提供有益啟示，也可以為道德建設(shè)提供有益啟發(fā)。

(10)

當(dāng)瞬時(shí)需求功率Pt小于零時(shí)，處于制動(dòng)能量回收狀態(tài).不同的車型，制動(dòng)能量回收率不同[7]，這里根據(jù)實(shí)車道路試驗(yàn)取制動(dòng)能量回收率為15%.

故中國(guó)典型城市工況的總能耗Wm:

(11)

考慮到公交車在行駛的過(guò)程中不可能一直滿載，故需要乘以一個(gè)人員流動(dòng)系數(shù)85%[8]；另考慮到車輛實(shí)際運(yùn)行中車燈等電氣設(shè)備用電量較小，計(jì)算時(shí)沒(méi)有考慮在內(nèi),則此車重下的每公里平均耗電量q：

(12)

2.2.2Z和Q計(jì)算與確定

武漢公交線路579路(車站路粵漢碼頭-沌口體育中心停車場(chǎng))，停靠在沌口體育中心停車場(chǎng)內(nèi)，與車城北路充電站緊鄰，可以將通過(guò)車城北路充電站將充電樁修至沌口體育中心停車場(chǎng)內(nèi)，使得公交車能夠依靠終點(diǎn)站內(nèi)充電樁充電，適合在該定線路上推行純電動(dòng)公交.以此線路為基礎(chǔ)核算間歇式充電方式的純電動(dòng)公交運(yùn)營(yíng)模式，計(jì)算參數(shù)如表3所列.

將以上數(shù)據(jù)和計(jì)算所得q和V代入式(1)～(4)計(jì)算可得：

Z=3，Q2=216.79 kWh

由式(9)～式(12)可知，不同的動(dòng)力電池容量

表3 計(jì)算方法中與線路有關(guān)的原始參數(shù)

Q對(duì)q存在影響，而以上計(jì)算時(shí)采用前一步所得的Q計(jì)算所得q，存在不精確性.將式(10)和(11)進(jìn)行整合得：

Wm=AM+B

(13)

當(dāng)功率Pt小于0時(shí)，A,B值的15%明顯小于Pt大于0時(shí)的A,B值，故證明時(shí)可忽略Pt小于0.

顯然A>0,B>0.將式(4),(9),(12),(13)進(jìn)行整合，式中動(dòng)力電池容量均用Q代替，令

則：

(14)

故

Q=kQ+D

(15)

式中：

因此：k,D>0

故式(15)所求Q收斂，即采用式(4)～式(12)計(jì)算動(dòng)力電池容量時(shí)具有收斂性[9].

將計(jì)算所得Q2當(dāng)作Q1代入式(4)～式(12)迭代計(jì)算，直至Q1≈Q2時(shí)即為計(jì)算所得動(dòng)力電池最小容量Q2，最終根據(jù)動(dòng)力電池實(shí)際型號(hào)確定動(dòng)力電池實(shí)際容量.迭代計(jì)算結(jié)果見表4.

表4 Z=3時(shí)動(dòng)力電池最小容量計(jì)算結(jié)果表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，當(dāng)增車數(shù)為3時(shí)，動(dòng)力電池最小容量226.70 kWzh，根據(jù)實(shí)際情況確定動(dòng)力電池容量Q=230 kWh.

當(dāng)增車數(shù)為2時(shí)，依照以上計(jì)算方式，求得動(dòng)力電池最小容量315.35 kWh，根據(jù)實(shí)際情況確定動(dòng)力電池容量Q=320 kWh.

為了降低車輛配備動(dòng)力電池容量，較少能耗,最終選擇Z=3，Q=230 kWh，tm=95 min.

2.2.3 充電設(shè)備的確定

根據(jù)所確定的Q和Z計(jì)算白天所需充電接口數(shù)為Zz和充電樁的最大充電功率Pz如下.

Zz=Z+1=4

(16)

Pz=Q×X=230 kWh

(17)

根據(jù)所確定的Q和Z計(jì)算晚間所需充電樁數(shù)Zn如下.

(18)

3 傳統(tǒng)公交運(yùn)營(yíng)模式能耗計(jì)算

傳統(tǒng)公交運(yùn)營(yíng)模式是指公交車在運(yùn)行的過(guò)程中不用補(bǔ)充能量，車輛正常行駛完全不受到站時(shí)刻影響[10].對(duì)于純電動(dòng)汽車如按照傳統(tǒng)公交運(yùn)營(yíng)模式，則要求交車所配備動(dòng)力電池容量能夠滿足車輛白天能耗需求，晚間車輛到站停靠后，在對(duì)車輛進(jìn)行統(tǒng)一充電.

同樣基于武漢公交579線路，總長(zhǎng)46km，每趟車每天運(yùn)行6次，同時(shí)應(yīng)保證最低剩余30%的SOC值.車輛平均車速V和每公里平均耗電量q仍基于中國(guó)城市公交循環(huán)計(jì)算.

計(jì)算得動(dòng)力電池配備容量:Q=960 kWh

整車質(zhì)量：M=27 520 kg

每公里平均耗電量：q=1.81 kWh/km

晚間所需配備充電樁數(shù)：

=21

(19)

傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)模式需要的充電樁數(shù)明顯大于間歇式充電運(yùn)營(yíng)模式所需要的充電樁數(shù)，表明充電樁的功率需增大才能滿足晚間充電要求，計(jì)算所得Zn=21時(shí)，Pn=84 kW.

4 與傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)模式的對(duì)比

4.1 2種公交運(yùn)營(yíng)模式能耗比較

2種公交運(yùn)營(yíng)模式的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，見表5.

表5 2種公交運(yùn)營(yíng)模式計(jì)算結(jié)果對(duì)比

在車輛運(yùn)行過(guò)程中，傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)模式中間不存在停車間歇時(shí)間，假設(shè)其車輛中間停歇相同的時(shí)間，動(dòng)力電池的SOC變換曲線見圖3.

圖3 2種運(yùn)營(yíng)模式下的SOC變化示意圖

從表5和圖3可知，如果采用傳統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)模式，由于動(dòng)力電池技術(shù)的限制，使得純電動(dòng)汽車在城市公交線路上推廣可能性大大降低.由于間隙式運(yùn)營(yíng)模式中途的不停補(bǔ)電，動(dòng)力電池SOC總是維持在較高的水平，有利于延長(zhǎng)動(dòng)力電池使用壽命.另純電動(dòng)汽車線路長(zhǎng)度、線路班次差異等會(huì)對(duì)電動(dòng)汽車的充電效率產(chǎn)生影響，考慮到計(jì)算模型的理想化，計(jì)算時(shí)沒(méi)有考慮在內(nèi).

4.2 兩種運(yùn)營(yíng)模式的運(yùn)營(yíng)成本比較

采用間歇式充電運(yùn)營(yíng)模式，在增車數(shù)和人力成本增加的同時(shí)，所需匹配動(dòng)力電池的數(shù)量和充電樁數(shù)卻相應(yīng)的減少，另考慮到整體質(zhì)量的減少所引起的耗電量的下降，車輛運(yùn)營(yíng)的成本必然會(huì)發(fā)生變化.總運(yùn)營(yíng)成本是包括車輛、充電樁、人力和總耗電量成本等的總和.以公交報(bào)廢期8年，每臺(tái)公交成本200萬(wàn)元，每座充電樁成本1萬(wàn)元和電價(jià)0.8元/(kWh)為條件，忽略其他相同且次要因素，基于武漢公交579計(jì)算可得，在公交報(bào)廢期期間內(nèi)，間隙式充電運(yùn)營(yíng)模式的總成本比傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)模式減少19%.

5 結(jié) 束 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)公交車運(yùn)行特點(diǎn)的分析，提出了基于間歇式充電的純電動(dòng)公交運(yùn)營(yíng)模式，并基于此運(yùn)營(yíng)模式得出了增車數(shù)和動(dòng)力電池最小容量關(guān)系式.以中國(guó)城市公交循環(huán)為基礎(chǔ)，基于武漢公交579的實(shí)例，對(duì)所提出的運(yùn)行模式進(jìn)行了理論計(jì)算.最后，對(duì)比了基于間歇式充電運(yùn)營(yíng)模式和傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)模式下計(jì)算所得的各個(gè)車輛參數(shù)，結(jié)果表明，純電動(dòng)公交采用基于間歇式充電的運(yùn)營(yíng)模式降低了動(dòng)力電池的需求容量，因此降低了能耗和充電設(shè)施需求要求，同時(shí)降低了公交運(yùn)營(yíng)總成本，增加了純電動(dòng)汽車在公交上的可行性.以此類推，間歇式充電方式運(yùn)營(yíng)模式也可以應(yīng)用于其他定線路上，只需修改少量計(jì)算參數(shù)即可滿足要求.目前，基于間歇式充電的純電動(dòng)公交運(yùn)行模式?jīng)]有實(shí)際應(yīng)用實(shí)例，另外計(jì)算過(guò)程中大部分?jǐn)?shù)據(jù)為理論值和經(jīng)驗(yàn)值，缺少實(shí)車驗(yàn)證與修正，有待于進(jìn)一步的優(yōu)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

*中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：2014-Ⅱ-004)、武漢市科學(xué)技術(shù)局基金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：2013011801010596)資助

U469.72；U492.2

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.04.009

付 翔(1973- )：女，工學(xué)博士，副教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)樾履茉雌嚰皠?dòng)力系統(tǒng)