新形勢下新能源純電動公交車的運營管理研究

石紅云

上海城市交通設(shè)計院有限公司

0 引言

發(fā)展新能源汽車是我國應(yīng)對氣候變化、推動綠色發(fā)展的國家戰(zhàn)略舉措。城市公共交通出行頻率高，新能源公交車的推廣對實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展，減少環(huán)境污染意義重大。以上海市為例，全市擁有公交車約 1.77 萬輛，截止 2019 年 11 月，已投放各類節(jié)能和新能源公交車約1.1 萬輛，占比約61.76%。

根據(jù)上海市“綠通行動方案”和“治柴行動方案”的要求，純電動公交車將加大投放力度，優(yōu)化公交車能源結(jié)構(gòu)。到2020年底前，中心城區(qū)、郊區(qū)建成區(qū)內(nèi)公交車全部更換為新能源車。

為更好地用好新能源公交車輛借助新能源數(shù)字化、信息化管理基礎(chǔ)，提升新能源公交車輛運營管理效率，本文以新能源純電動公交車輛為研究對象，從能源方式、場站設(shè)施、維修模式等方面對比分析其與燃油公交的區(qū)別，分析純電動公交運營管理面臨的新挑戰(zhàn)和新機遇，提出傳統(tǒng)公交企業(yè)新能源純電動公交車輛運營管理的相關(guān)建議。

1 新能源公交車輛發(fā)展趨勢

根據(jù)工信部發(fā)布的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)劃（2021-2035年）》（征求意見稿），力爭通過15年的努力，純電動汽車將成為主流，燃料電池汽車實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，公共領(lǐng)域用車全面電動化[1]。

從純電動公交車的發(fā)展趨勢來看，純電動公交車向著網(wǎng)聯(lián)化、智能化、低碳化、輕量化發(fā)展。充電技術(shù)向大功率、智能化方向發(fā)展，充電模式以常規(guī)充電為主、快充為補充，同時具備快充及常規(guī)充電兼容。車輛性能方面將進一步提升續(xù)駛里程、安全性、舒適性、美觀性及智能化水平。

2 純電動公交與燃油公交的區(qū)別

2.1 純電動公交車輛核心部件是以電池、電機、電控為主的電動部件

以“SWB6121EV 型”純電動公交車為例，純電動公交車主要由電力驅(qū)動系統(tǒng)、底盤、車身、電氣設(shè)備等組成，其中驅(qū)動控制系統(tǒng)是純電動車的核心。動力蓄電池儲存并向電機提供電能，電機控制器把電池的電能轉(zhuǎn)換為電機需要的形式，電機則把電能轉(zhuǎn)換成機械能并通過變速箱驅(qū)動車輛。動力系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

圖1 純電動公交車動力系統(tǒng)工作原理

2.2 充電系統(tǒng)成為純電動公交的基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)，與燃油公交車相比需要更長的能源補給時間

目前，上海純電動公交車輛主要采用接觸式充電，包括常規(guī)充電及快速充電兩種[2]。常規(guī)充電模式是采用直流輸出方式為車輛動力電池充電，主要應(yīng)用于公交停保場內(nèi)車輛夜間充電。充電設(shè)備功率主要有60 kW和120 kW兩種模式。從充電時長來看，一臺續(xù)航里程約300 km 的12 m 公交車，采用60 kW 充電功率充滿電約5 h，120 kw 充滿電約2.5 h。

快速充電是以大電流短時間為電動公交車輛提供短時充電服務(wù)，充電倍率為1 C 以上。快速充電主要應(yīng)用在首末站及樞紐站，利用車輛運營間隔時段進行快速補電。以上海奉賢BRT 為例，首末站采用下壓式充電弓快速充電（如圖2），下壓式充電弓充電功率約360 kw，充電電流約500 A，根據(jù)每臺車充電前剩余電量不同，一輛12 m 公交車充滿電時長約7-11 min。

圖2 奉賢南橋BRT快充充電站

2.3 新能源純電動公交車輛信息化、智能化水平提升

新能源汽車融匯了新能源、新材料和互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等多種變革技術(shù)，推動車輛從單純交通工具向移動智能終端、數(shù)字空間轉(zhuǎn)變。新能源純電動公交車實現(xiàn)了整車CAN 系統(tǒng)全覆蓋，信息量爆發(fā)式增長，網(wǎng)聯(lián)化新趨勢，給車輛數(shù)字化管理帶來新機遇。新能源純電動公交車與燃油公交車相比，車輛更加智能，實現(xiàn)了輔助駕駛、主動防護的功能，且隨技術(shù)發(fā)展車輛智能化水平將進一步提高（純電動公交與燃油公交車對比如表1）。

3 純電動公交運營管理的挑戰(zhàn)及機遇

3.1 對充電設(shè)施的需求及場站安全管理提出更高要求

1）能源方式的變革，帶來充電設(shè)施的建設(shè)需求，伴隨車輛不斷投放，充電設(shè)施不足問題成為公交企業(yè)普遍面臨的困難之一。以上海久事公交為例，2020 年新能源公交車輛總量約達到6 700 輛，充電車位需求約6 350 個，充電設(shè)施缺口約1 100個。充電設(shè)施不足一方面是由于本身停車用地不足，部分車輛夜間停放在樞紐首末站或者臨時用地，場站用地不足制約了充電設(shè)施的建設(shè)。另一方面新能源充電技術(shù)迭代更新快，初期建設(shè)的充電設(shè)施受技術(shù)條件限制多為單樁（槍）充電模式，充電效率低，無法實現(xiàn)電力資源的后臺調(diào)配，存在充電資源的浪費（見圖3）。

圖3 久事公交在中心城區(qū)及郊區(qū)建成區(qū)公交線路分布圖

2）滅火方式的差異，對場站安全管理提出更高的要求。純電動公交車輛跟燃油公交在滅火方式上存在差異，純電動公交車電池是無氧燃燒，只有通過大量的水降溫才可以阻燃。一般的干粉或泡沫滅火器無法阻止電池燃燒。電池燃燒比普通柴油車燃燒的時間更長，在對建筑的防火要求遠高于柴油車，對場站安全管理提出更高要求。

表1 純電動公交車與燃油公交車對比分析

3.2 純電動公交車信息化運營管理有待提升

車輛信息化管理有待提升。新能源公交車實現(xiàn)了整車CAN系統(tǒng)全覆蓋，車輛信息量及信息維度有爆發(fā)式增長，而傳統(tǒng)公交企業(yè)信息化管理尚處于起步階段，大量車載數(shù)據(jù)未充分利用，車輛信息化管理及大數(shù)據(jù)應(yīng)用有待提高。

公交調(diào)度、車輛運營及充電缺少統(tǒng)籌管理。傳統(tǒng)公交線路調(diào)度主要依據(jù)客流需求變化來調(diào)度發(fā)車間隔。純電動公交車輛實時帶電狀態(tài)（剩余續(xù)航里程）及充電排班成為線路調(diào)度需要統(tǒng)籌考慮的新因素，目前“充電”、“調(diào)度管理”雙系統(tǒng)，如何統(tǒng)一運營給企業(yè)帶來新的挑戰(zhàn)。

3.3 車輛構(gòu)造的差異，使得車輛維修模式及維修隊伍亟需轉(zhuǎn)型

車輛的維修模式與燃油車輛差異大，傳統(tǒng)的維修經(jīng)驗失靈，但純電動車輛的電動器件更容易實現(xiàn)實時監(jiān)測，進行故障預(yù)測診斷，維修模式也由以維修為主向診斷加維修轉(zhuǎn)變。維修技術(shù)人員的需求由機械工向高低壓電工轉(zhuǎn)變，而現(xiàn)有的“傳、幫、帶”模式來培養(yǎng)新能源車輛的維修人才約需2～3 年時間，無法滿足新能源車輛維修的需求。

4 純電動公交車輛運營管理建議

4.1 總體思路

新能源純電動公交的運營管理應(yīng)首先保障新能源車輛的基礎(chǔ)設(shè)施及場站安全管理。其次，建設(shè)車輛信息化管理平臺，在車輛信息化管理基礎(chǔ)上，對接公交車輛調(diào)度平臺、充電設(shè)施平臺、場站管理平臺，逐步形成傳統(tǒng)公交企業(yè)信息化管理模式，同時提前謀劃，做好大數(shù)據(jù)及信息化管理人才儲備（見圖4）。

4.2 方案建議

1)應(yīng)用充電新技術(shù)及信息化管理手段，提升設(shè)施利用率

加強智能群充及大功率快充等智能化、新技術(shù)應(yīng)用，提升充電設(shè)施效率。智能群充技術(shù)即將充電站內(nèi)全部或部分智能充電模塊及監(jiān)控系統(tǒng)集成在一起，利用計算機控制技術(shù)對充電模塊進行集中控制及動態(tài)分配，為車輛提供電能。智能群充與傳統(tǒng)單樁充電技術(shù)相比，具有功率共享、柔性充電及平滑擴展等技術(shù)優(yōu)勢。目前，場站充電存在進場初期“電等車”，車輛大規(guī)模進場后“車等電”的痛點，智能群充可結(jié)合車輛進場狀況，進行充電資源的調(diào)配（見圖5）。

圖4 新能源純電動公交運營管理總體思路

圖5 車輛進場與場站內(nèi)電容量關(guān)系

根據(jù)場站充電設(shè)施建設(shè)能力不同，采取差異化充電策略。對于公交停保場，建設(shè)充電樁泊位占比在80%以上的場站，建議將傳統(tǒng)單樁充電改造為智能群充技術(shù)，充分利用涓流充電時段資源。建設(shè)充電樁泊位占比在80%以下的場站，可采取大功率快充與智能群充相結(jié)合的方式，在車輛進場初期大功率快充，提升充電設(shè)施周轉(zhuǎn)效率，在車輛大規(guī)模進場后（如24：00之后）采取智能群充策略，規(guī)劃車輛的停車順序，以18個車輛為一組，依次停放在A、B、C 區(qū)。當(dāng)A 區(qū)車位充滿電之后，進行B 區(qū)的充電過程，然后C區(qū)（如圖6），減少人工倒車。對于公交樞紐、首末站，建議采用大功率快充技術(shù)，利用線路發(fā)車間隔時間進行補電。

圖6 車輛大規(guī)模進場后充電流程示意

2)利用信息化手段，統(tǒng)籌充電資源，科學(xué)制定車輛充電計劃

統(tǒng)籌管理停車場內(nèi)部充電設(shè)施資源，結(jié)合車輛進場情況制定科學(xué)的充電計劃，提升充電設(shè)施利用效率。搭建充電設(shè)施管理平臺，統(tǒng)籌各場站的充電資源，根據(jù)車輛續(xù)航里程的不同和車輛調(diào)度排班計劃，利用白天充電空閑時段，制定車輛錯峰補電計劃，彌補夜間充電資源不足。

3)提升場站管理智能化水平，重視場站安全監(jiān)管

根據(jù)新能源車輛維修、停放、充電需求，重塑作業(yè)流程，優(yōu)化場站布局。場站內(nèi)部新能源公交車應(yīng)與燃油公交車分區(qū)、分層停放。場站建設(shè)和改建時，應(yīng)符合新能源公交車的消防和環(huán)保要求，新建場站應(yīng)滿足《電動汽車分散充電設(shè)施工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T51313-2018、《汽車庫、修車庫、停車場設(shè)計防火規(guī)范》GB 50067 等相關(guān)防火規(guī)范要求[3]。

加強場站安全監(jiān)管，完善現(xiàn)有場站智能監(jiān)控功能，包括車輛進出場、充電、維修過程中的實時監(jiān)控。建設(shè)場站智能管理平臺，統(tǒng)籌各場站的智能化管理。

4)建設(shè)車輛智能管理平臺，用好車輛信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)車輛全生命周期管理

建設(shè)車輛智能化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)車輛各部件從出廠到報廢，從進場、充電、維修到出場、運營，全過程、全生命周期的數(shù)字化監(jiān)管。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析車輛數(shù)據(jù)（包括車輛運行狀態(tài)、保養(yǎng)次數(shù)、各部件故障及維修次數(shù)等），對車輛性能進行綜合評估，結(jié)合車輛維修保養(yǎng)成本分析，為車輛的采購及彈性報廢做技術(shù)支撐。未來車輛報廢可以不再是一刀切模式，而是對每輛車進行科學(xué)測評，實現(xiàn)差異化的報廢年限，通過對不同廠家、不同車型、車輛表現(xiàn)進行科學(xué)評估，指導(dǎo)未來車輛采購。

5)將車輛管理、充電管理及線網(wǎng)調(diào)度相互融合，優(yōu)化線路調(diào)度模式

不同車型、不同使用年限的車輛續(xù)駛里程不同，將車輛實時狀態(tài)、充電計劃及線網(wǎng)調(diào)度相互融合，優(yōu)化線路調(diào)度模式。在運營過程中靈活調(diào)度，及時了解新能源公交車的運行位置、行車間隔等信息，適時掌握每臺車輛的運行狀況。車隊可以根據(jù)現(xiàn)有條件靈活運調(diào)，避免營運資源浪費，減少車輛調(diào)配盲目性。如在車輛運行過程中，突發(fā)車輛電量不足問題（帶電量剩余30%以下），可結(jié)合周邊充電設(shè)施的分布情況，就近場站進行補電，調(diào)度中心調(diào)配附近公交車頂替補電車輛運營（見圖7）。

圖7 突發(fā)車輛電量不足解決思路示意

6)探索新的車輛維修模式

目前,新能源車輛維修模式主要有專業(yè)自主維修模式、自主維修與購買服務(wù)混合及自主維修為主、委外維修為輔三類。

專業(yè)自主維修模式，有利于企業(yè)自身維修專業(yè)技能提升及自主經(jīng)驗積累，但對人員素質(zhì)要求高，需引進專業(yè)人才，不利于現(xiàn)有人員技能結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，產(chǎn)生人員富余問題。自主維修與購買服務(wù)混合模式是將專業(yè)性較強模塊系統(tǒng)交由專業(yè)廠商購買維修服務(wù)，該模式可以解決現(xiàn)有維修困境，快速保障需求，但不利于企業(yè)自主維修能力提升，成本質(zhì)量控制難。自主維修為主、委外維修為輔模式是指與生產(chǎn)企業(yè)建立聯(lián)合培訓(xùn)機制，對現(xiàn)有員工維修技能培訓(xùn)，專業(yè)性較強模塊以車企及電池廠商為主，公交企業(yè)為輔，對員工進行現(xiàn)場作業(yè)指導(dǎo)，逐步自主掌握維修技能。公交企業(yè)可結(jié)合自身的條件及需求選擇適合的維修模式。

5 小結(jié)

新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的孕育興起，新能源汽車也進入了加速發(fā)展的新階段。純電動公交車作為新能源推廣主力，如何應(yīng)對純電動公交對于企業(yè)帶來的運營管理挑戰(zhàn)，推動企業(yè)運營管理的升級至關(guān)重要。本文分析了純電動公交區(qū)別于燃油公交車的新特征，針對新能源公交運營管理現(xiàn)狀問題，從充電設(shè)施配套、場站安全管理、車輛管理、線路調(diào)度及維修模式等方面，提出發(fā)展建議及方向，以期在新能源公交車輛加速發(fā)展的關(guān)鍵時期，為傳統(tǒng)公交企業(yè)新能源公交車的運營管理提供發(fā)展思路和方向。