純電動車輛動力電池選配分析

婁金榮 嚴均治 劉永平

（1.重慶北部公共交通有限公司，重慶 400700；2.重慶兩江公共交通有限公司，重慶 401122）

1 研究背景

近幾年石油的消耗量不斷增加，而地球上的原油總量卻是固定的。專家預計到了2050年世界石油將會用盡，那時一切以石油為能源的工具都將無法使用，這里面就包含汽車。所以，新能源汽車就成了人類的不二選擇[1]。

中國在新能源汽車研究方面起步較晚，所以采取了很多優惠政策來鼓勵新能源汽車發展。除了向研發單位給予大量資金、技術和人員支持外，中國政府對新能源汽車的推廣普及也下了大力氣，除大量建設新能源汽車能量補給站之外，還對新能源汽車的交易實行免購車稅政策，這些政策都大大促進了中國新能源汽車產業的發展。在眾多政策引導下，公交企業的新能源客車推廣運用也十分積極活躍。

新能源公交車具有不同的技術路線，而動力電池是決定新能源公交車技術路線的重要因素，因此，圍繞新能源車輛動力電池選配開展分析研究很有必要。

2 新能源汽車發展現狀

2.1 混合動力汽車

混合動力汽車是最易實現的新能源汽車，所以目前人們在混合動力汽車方面取得的成就是最大的，但大多數混合動力汽車都以汽油或柴油作為一種燃料，說明混合動力汽車只是減緩了化石燃料的消耗，并不能完全停止使用化石能源，所以混合動力汽車雖然已普及，且不存在較大技術難題，但還是會逐漸被淘汰的。

2.2 電動汽車

電動汽車也是較為成熟的新能源車種，但其目前仍有幾個技術難題需要攻克[2]。例如電池技術——充電電池是有一定壽命的，且一定體積的充電電池能儲存的電能也是有限的，所以長壽命且儲能高、充電快的充電電池是電動汽車普及的關鍵。此外，電動汽車消耗的是電能，故怎樣獲得廉價且清潔的電能就成為一個問題。最后一個難題就是電動機的輸出問題——電動機都有最高功率，這就決定了電動汽車的最高速度以及加速度都有界限，如何提高電動機最大功率也就成了一個難題。如果能解決這些問題，電動汽車普及就暢通無阻了。

2.3 氫動力汽車

氫動力汽車作為前景極佳的無污染新能源汽車，其研發卻是阻礙重重。首要問題就是氫制取問題——電解制氫一類的方法無疑成本過高。另一問題就是氫氣安全存儲問題——氫氣爆炸的范圍是4%到75%，可見氫氣是一種極易爆炸的氣體，必須妥善存儲，但安全與大量存儲很難同時實現。

2.4 太陽能汽車

太陽能汽車利用的是取之不盡用之不竭的太陽能，其清潔程度甚至優于氫動力汽車，但其技術難度實在太高，所以現在很少有人研究。汽車的表面積是有限的，自然接受光照的面積有限，要想收集足夠的光能，太陽能電池板的能量轉換率就成了關鍵[3]。目前能量轉換率最高的太陽能電池為美國特拉華大學生產的超高效太陽能電池，轉換效率達到了42.8%，但這也遠遠不夠。

總體來看，鑒于各種新能源汽車的技術難點，目前世界范圍內新能源汽車的主流導向還是大力推廣電動汽車，因此如何正確選擇純電動車輛的技術路線尤為重要。

3 純電動車輛技術路線的選擇

在車型選擇上，以當前主流的純電動車輛選型為例，車輛選型時應充分考慮技術路線、運營需求和政策導向等諸多因素，以重慶公交W公司車長8.5m左右的純電動公交車選型為例，經深入研究，我們對比了不同技術路線的優勢與不足，詳見表1。

表1 純電動公交車慢充與快充兩種技術路線對比表

技術路線是純電動公交車配置的關鍵，而技術路線的選擇取決于企業所在城市電網及充電設施的配套情況。充分對比兩種技術路線的特點后，從安全性、運營便捷性以及長期成本等角度考慮，W公司認為8.5m純電動公交車選擇慢充技術路線更適合公司的發展要求。

4 W公司純電動公交車選配分析

4.1 運行特點分析

據W公司營運部門介紹，該公司即將采購的32臺8.5m純電動公交車以光亮城為中心，按照W公司創建五星線路標準重點打造583路和585路精品線路，既有線路目前使用車型為恒通CKZ6772型穿梭巴士，最大日運營里程在180km以內，發班間隔不得超過10min。

4.2 電池行業狀況分析

純電動車核心部件動力電池性能對比見表2。

從表2看出，安全性：磷酸鐵鋰＞鈦酸鋰＞錳酸鋰＞三元＞鈷酸鋰；壽命：鈦酸鋰＞磷酸鐵鋰＞錳酸鋰＞三元＞鈷酸鋰；能量密度：鈷酸鋰＞三元＞錳酸鋰＞磷酸鐵鋰＞鈦酸鋰；招標選擇面：磷酸鐵鋰＞錳酸鋰＞三元＞鈦酸鋰＞鈷酸鋰。

表2 動力電池性能對比

4.3 主機廠電池裝機分析

結合W公司所在城市市場主流客車廠家8.5m純電動公交車實際銷售現狀，本次分析僅篩選安凱、福田、中通、海格、宇通、金龍和金旅7個廠家的44個車型。

按電池品牌，CATL（寧德時代）占77.3%、微宏占13.6%、盟固利占9.1%，CALT占據絕對主流。

按電池種類，磷酸鐵鋰占77.3%、錳酸鋰占22.7%，磷酸鐵鋰占絕對主流。

從上述兩個維度來看，配置CATL磷酸鐵鋰電池的純電動公交車屬行業主流成熟產品，而以CATL磷酸鐵鋰電池配套的整車屬于慢充技術路線的典型代表。

4.4 多角度綜合分析

線路調度上，根據營運部門介紹，創建精品線路對發班間隔要求不得超過10min，線路調度十分嚴格。

如果采用慢充車輛，投放前3-5年白天基本無需補電即可完全滿足線路調度，駕駛員勞動強度低，慢充車給駕駛員帶來的額外工作更少。

如果采用快充車輛，從投放起白天就需要進行補電來滿足線路調度，額外增加駕駛員工作量，同時為降低人工成本，快充車需要駕駛員在每天正常收班后延遲約30min下班充電，或每天正常開班前提前約30min上班充電，需做好駕駛員的情緒管理與激勵。

運營里程上，根據營運部門介紹，單車最大日運營里程≤180km，行業8.5m純電動公交車的實際運營電耗按0.70kWh/km測算。

如果選擇慢充車輛，電量搭載匹配不低于180kWh電量（按預留20%的安全電量），安排所有車輛在夜間充滿電即可在不對現有運營調度做任何調整的情況下滿足既有線路一天的正常運營。由于動力電池固有的物理特性，電池在使用過程中都會存在一定的衰減，按新車配置180kWh電池，車輛運營八年電池衰減30%進行測算，第8年時車輛充滿一次電可以運行約144km，較實際里程缺口36km，折算成電量缺口約25kWh，如按120kW充電樁測算，1h可以充電約120kWh，缺口電量需充電約12min，換言之，第8年時白天需補電2次。

如果選擇快充車輛，以8.5m車配置100kWh微宏錳酸鋰電池（按預留20%的安全電量）為例，新車狀態充滿一次電可以運行約114km，較實際里程缺口66km，折算成電量缺口約46kWh，按車輛剩余20%電量充滿需要24min計，每分鐘充電量3.33kWh，缺口電量充電時間約14min，第一年白天需補電2-3次；車輛運營八年電池衰減30%，第8年時車輛充滿一次電可以運行約80km，較實際里程缺口100km，折算成電量缺口約70kWh，缺口電量需充電約21min，第八年白天需補電4-5次。

另外，未來公交社區接駁優勢導致線路越來越短，配置合適電量的慢充車，也可以讓駕駛員專心開車，無需考慮車輛白天補電的問題。

4.5 充電設施匹配分析

4.5.1 快充技術路線

需要大功率充電樁輸出大電流才能實現，且需在白天進行多次充電，當多個車同時充電時對電網沖擊大，帶來的安全隱患加大，并且白天電價高，增加運營成本，據了解，重慶地區目前還沒有哪個地方在大規模、長時間使用快充純電動公交車，加上特殊的自然氣候環境也給大規模投放快充純電動公交車帶來一定的安全考驗。重慶市某區公交公司自2015年起開始使用錳酸鋰快充公交車，據該公交公司介紹，車輛故障率高、電池衰減快，在前期充電設施建設方面投入巨大，還給駕駛員帶來更大的勞動強度，后續在基礎設施允許的條件下，還是會優先購置慢充車。

4.5.2 慢充技術路線

只需適當功率充電樁輸出適當電流即可，且充電時間基本集中在夜間，不僅可以申請享受波谷低電價，還可以減少對電網大負荷沖擊的影響，既提高安全性又降低運營成本，一舉兩得。更值得注意的是，在特定的自然氣候環境下，重慶市多個區縣已經大規模購買并使用慢充純電動公交車，且各方均反映使用效果很好。

4.6 綜合成本分析

4.6.1 購置成本

例8中譯文保留關鍵詞“治理國家能力”和“中國特色社會主義制度”，用動詞improve表示“不斷提高運用”。 這里譯者根據原文的含義進行調整使譯文體現出英文的簡潔表達特點，又如：

假設慢充車比快充車單車成本高5萬元，按采購32臺車計算，采購車輛將多支出160萬元。

4.6.2 人工成本

快充車都是利用發班間隙進行快速充電，以滿足下一趟班次的運營需要，充電工作往往由駕駛員直接做，雖然無需額外增加定員成本支出，但每人收班后延時30min至60min時間，若長期執行，公司有必要考慮增加駕駛員延時類津補貼，按W公司當前13.5元/h延時補貼標準計算，參照2休1作業模式，人均補貼3285元/年，32臺車預計投入補貼支出10.5萬元/年。慢充車則是利用夜間收班后集中充電，白天根據需要有條件的適當補電，需考慮夜間單獨安排值守人員，其人工成本支出6萬元/年?？梢钥闯?，投放32臺慢充純電動車8年下來可節省人工成本約36萬元。

4.6.3 電價差額

波谷電按0.3元/kWh，平峰電按0.6元/kWh（具體以與電網公司、承建方洽談簽訂的服務協議為準），電價差0.3元/kWh，車輛運營8年，電池8年衰減率30%，電池使用時間與性能衰減統計情況見表3?？梢缘贸鲞\營8年下來一臺車每天的電費差異。

表3 電池使用時間與性能衰減統計表

快充：680kWh×0.3元/kWh+464kWh×0.6元/kWh=482元；慢充：1224kWh×0.3元/kWh+65kWh×0.6元/kWh=406元。

慢充比快充少76元，按每月運行28天，8年下來的電價總差額為76元/（天·8年）×28天/月×12月×8年×32臺≈82萬元。投放32臺慢充純電動車8年下來可節省電費成本約82萬元。

4.6.4 綜合成本

在車輛維修、駕駛員工資、保險、折舊等支出相當的情況下，成本差異主要體現在購置成本、附加人工成本、電費成本三大塊，通過綜合成本對比計算，投放32臺純電動公交車運營8年，折算慢充車比快充車每月每車多支出約137元，慢充車與快充車綜合成本基本相當。

4.7 行業狀況分析

目前，交通行業安全生產形勢總體平穩，在大力發展新能源車特別是純電動車的大趨勢下，確保純電動公交車安全可靠、技術成熟先進始終應放在第一位。

（1）從電池性能對比來看，安全系數最高的當屬磷酸鐵鋰電池，代表廠家多，且在全國市場裝機量大；行業相關研究機構的資料均顯示，磷酸鐵鋰電池的安全性優于錳酸鋰電池。

（2）從電池裝機量來看，2021年前10個月國內新能源汽車動力電池裝機量數據顯示，以磷酸鐵鋰見長的寧德時代、比亞迪、國軒高科等電池行業巨頭排名前三[4]，說明磷酸鐵鋰電池無論是安全性還是實際使用效果都得到市場廣泛接受和認可。

（3）從8.5m純電動公交車動力電池配置來看，CATL的磷酸鐵鋰動力電池屬行業主流成熟產品，而以CATL磷酸鐵鋰動力電池配套的整車屬于慢充技術路線的典型代表。

4.8 場地需求分析

4.8.1 慢充技術

單車充電時間長，需要將車輛集中進行夜間充電，充電樁的利用效率相對較低，故車輛數量越多，對場地的需求越大。

4.8.2 快充技術

由于單車充電時間短，充電樁的利用效率相對較高，車輛無需集中停放即可滿足充電需求。不可否認，在土地資源需求方面，快充模式確實占絕對優勢。

5 總結

人類認識事物的過程是從實踐到理論，再從理論到實踐的過程，如此不斷循環，認識和管理水平才能夠得到不斷提升。本文以重慶公交W公司32臺純電動公交車動力電池選配為例，通過對慢充、快充兩種技術路線進行深入對比分析，以及對全生命周期的動力電池衰減特性進行研究，從動力電池安全性、可靠性、成熟度、先進性、裝機量以及運營調度需求、充電設施匹配、綜合成本分析等方面全面考量，最終確定32臺8.5m純電動公交車選擇配置寧德時代CATL磷酸鐵鋰動力電池的慢充技術路線。