據(jù)國(guó)家科技部統(tǒng)計(jì)，截至2011年3月，示范城市中應(yīng)用電動(dòng)大巴629輛，僅占公共服務(wù)領(lǐng)域新能源汽車(chē)的7%。雖然，我們看到城市公交電動(dòng)化還面臨諸多難題，需要政府、汽車(chē)產(chǎn)業(yè)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的上下游企業(yè)協(xié)同創(chuàng)新。但是，我們不能象國(guó)外一樣只顧乘用車(chē)，應(yīng)該重視甚至高度重視公交車(chē)的電動(dòng)化。
一、電動(dòng)化是城市公交車(chē)的必然選擇
1、世界能源和環(huán)境日益惡化，我國(guó)形勢(shì)更加嚴(yán)峻，特別是城市大氣污染尤為嚴(yán)重。
因汽車(chē)尾氣排放造成的空氣污染，已成為困擾北京、上海、廣州等大城市的嚴(yán)重問(wèn)題。中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站吳國(guó)平研究員等對(duì)我國(guó)廣州、武漢、蘭州、重慶4個(gè)城市的大氣PM2.5 污染水平進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明這些城市的PM2. 5水平普遍超過(guò)了美國(guó)新標(biāo)準(zhǔn)的2到8倍。
大量研究表明，電動(dòng)車(chē)相比常規(guī)燃油汽車(chē)在能效和減排方面有明顯優(yōu)勢(shì)。國(guó)務(wù)院發(fā)展研究中心對(duì)純電動(dòng)車(chē)和傳統(tǒng)汽油車(chē)的能源消耗和二氧化碳排放進(jìn)行了比較，其中純電動(dòng)車(chē)按照“煤-電-電動(dòng)機(jī)”的能源應(yīng)用路徑，而傳統(tǒng)汽油車(chē)按照“石油-汽油-內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)”的路徑進(jìn)行測(cè)算。結(jié)果表明，即使在電能來(lái)源僅考慮煤電的最差情況，純電動(dòng)車(chē)單位行駛里程所消耗的一次能源(折成熱值)只有傳統(tǒng)汽油汽車(chē)的0.7倍?？紤]我國(guó)電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及能源利用效率提高的趨勢(shì)，按照2015年我國(guó)煤電比例76%，電動(dòng)車(chē)所排放的二氧化碳約為傳統(tǒng)汽油汽車(chē)的74%。
2、發(fā)展電動(dòng)公交，中國(guó)具有比較優(yōu)勢(shì)
相比于乘用車(chē)，電動(dòng)公交車(chē)的節(jié)油和減排效果更加明顯，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每輛公交車(chē)日行駛里程約220-280公里，消耗燃油約90-120升，相當(dāng)于30輛私家車(chē)的油耗和排放。此外，電動(dòng)車(chē)采用電動(dòng)機(jī)代替發(fā)動(dòng)機(jī)，幾乎無(wú)噪聲，而且無(wú)級(jí)變速，駕駛操作更加簡(jiǎn)單。
隨著改革開(kāi)放的進(jìn)程，大批農(nóng)民進(jìn)城，城鎮(zhèn)化加速，汽車(chē)進(jìn)入家庭，城市交通供需矛盾日益尖銳?，F(xiàn)在，我國(guó)幾乎所有城市都存在不同程度的交通堵塞。政府高度重視公共交通的發(fā)展，2005年國(guó)務(wù)院辦公廳轉(zhuǎn)發(fā)了建設(shè)部等部門(mén)《關(guān)于優(yōu)先發(fā)展城市公共交通意見(jiàn)》，發(fā)展城市公交已成為具有中國(guó)特色的城市發(fā)展和交通發(fā)展的重要舉措。
放眼世界，沒(méi)有哪一個(gè)國(guó)家如此重視電動(dòng)公交車(chē)的發(fā)展，因?yàn)闆](méi)有哪一個(gè)國(guó)家像中國(guó)一樣對(duì)公交車(chē)有如此巨大的需求。正因如此，國(guó)內(nèi)燃油公交車(chē)的研發(fā)能力和生產(chǎn)技術(shù)反而不落后于國(guó)外，有著較強(qiáng)的比較優(yōu)勢(shì)。進(jìn)而，開(kāi)發(fā)純電動(dòng)公交車(chē)，有著特有的優(yōu)勢(shì)和條件。
相比于乘用車(chē)，公交車(chē)的空間寬敞、布局規(guī)范，電動(dòng)化相對(duì)容易、方便。在運(yùn)營(yíng)方面，也有著非常鮮明的特點(diǎn)：定線定點(diǎn)-線路和站點(diǎn)固定;單程行駛歷程固定而且不長(zhǎng);專人駕駛;出車(chē)收車(chē)時(shí)間固定且密集。
發(fā)展電動(dòng)公交，既可以鞏固已有的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，同時(shí)更好地培育電池、電控、電機(jī)、充換電技術(shù)，為電動(dòng)乘用車(chē)提供經(jīng)驗(yàn)，帶動(dòng)和促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈，有效帶動(dòng)我國(guó)電動(dòng)車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。應(yīng)該看到，隨著國(guó)外電動(dòng)車(chē)應(yīng)用發(fā)展，電動(dòng)公交大巴必將引起重視，并付諸實(shí)施，日本、澳大利亞、美國(guó)和法國(guó)等國(guó)家都已開(kāi)始啟動(dòng)。在電動(dòng)乘用車(chē)“彎道超車(chē)”遭遇挑戰(zhàn)時(shí)，我們不能白白把自己的優(yōu)勢(shì)地位拱手讓出，必須加快發(fā)展電動(dòng)公交車(chē)。
如果盲目照搬乘用車(chē)的發(fā)展路徑，采用混合動(dòng)力，即傳統(tǒng)技術(shù)加電動(dòng)技術(shù)，顯然是揚(yáng)短避長(zhǎng)，把簡(jiǎn)單問(wèn)題復(fù)雜化。
二、電池快換是電動(dòng)公交車(chē)主要的電能供給方式
1、電動(dòng)車(chē)電能供給方式分析
電動(dòng)車(chē)以電能替代了燃油，從根本上改變了傳統(tǒng)汽車(chē)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式，雖然使用功能一樣，但是從技術(shù)上已經(jīng)根本不同。換個(gè)角度，從電力服務(wù)看，它是一種用電設(shè)備，是一種新型的用電需求。
為電動(dòng)車(chē)提供電能供給，主要有交流充電、直流充電和電池更換等三種方式。
交流充電：由交流充電樁提供220V交流電能，車(chē)載充電機(jī)完成交直流變換，充電功率一般不大于5千瓦，充電時(shí)間通常為5～8個(gè)小時(shí)，主要用于電動(dòng)乘用車(chē)。
直流充電：由非車(chē)載充電機(jī)完成交直流變換，充電功率較大，從幾十千瓦到上百千瓦。主要用于電動(dòng)公交車(chē)的整車(chē)充電，充電時(shí)間較長(zhǎng)，至少要3小時(shí)左右。
電池快速更換：用事先充滿電的電池組更換車(chē)輛上的電池組，國(guó)內(nèi)設(shè)備基本可在5-10分鐘完成電池更換，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)車(chē)電能快速補(bǔ)給。
2、電動(dòng)公交車(chē)充換電比較
目前，公認(rèn)電池是制約電動(dòng)車(chē)發(fā)展的瓶頸。選擇充電還是換電，人們一般都是基于對(duì)純電動(dòng)乘用車(chē)的認(rèn)識(shí)，從電池自身角度、從車(chē)的角度、汽車(chē)行業(yè)角度解讀。
從電池性能分析。目前，國(guó)內(nèi)外電動(dòng)車(chē)基本采用鋰離子電池，鋰電池具有安全可靠、工作電壓高、無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，但其能量密度仍較低，造成電動(dòng)車(chē)單次充電續(xù)駛里程較短，更重要的是電池成組循環(huán)壽命低。目前國(guó)內(nèi)電池成組后的比能量基本在70Wh/kg,循環(huán)壽命1000次以上。另外，單體電池使用過(guò)程中的環(huán)境差異，會(huì)加大單體電池間的性能差異，導(dǎo)致性能較差的電池加劇惡化，使電池組的循環(huán)壽命相對(duì)單體電池大大縮短。如果在公交車(chē)行駛間隙采用快速充電，為公交車(chē)提供電能補(bǔ)給，將造成電池負(fù)極極化，容量嚴(yán)重衰減，從而引起壽命急劇衰減。因此造成電動(dòng)車(chē)電池部分的使用成本上升，降低電動(dòng)車(chē)經(jīng)濟(jì)性。
從充電方式分析。
第一，目前電池組比能量約70 Wh/kg，以青島公交車(chē)為例，每日平均行駛里程約220公里，如果采用充電方式，為了每天充一次電滿足行駛里程要求，就要至少裝載220千瓦時(shí)、約3100公斤的電池。為了少裝電池，減輕車(chē)體重量，就會(huì)出現(xiàn)一些示范項(xiàng)目中兩輛車(chē)當(dāng)一輛車(chē)用的現(xiàn)象，也就是兩輛車(chē)一天輪班跑。
第二，即使不考慮電池壽命，采用快速充電，按照目前一般公交車(chē)裝載140千瓦時(shí)電池測(cè)算，按照3C充電，充電功率將達(dá)到420千瓦。交流側(cè)(380V)電流達(dá)到600A，導(dǎo)線線徑需達(dá)到240平方毫米。直流側(cè)(537V)電流將達(dá)到800A，充電連接器正副極分別需要2根直徑18毫米的觸頭,為保證連接器觸頭可靠的電氣連接和滿足溫升的要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要有非常大的保持力，連接器插拔力將會(huì)達(dá)到500N以上，這時(shí)就要架裝助力裝置，結(jié)果會(huì)大大增加連接器的體積和重量，使充電操作非常困難。
第三，如果選擇換電方式，可以采用分箱充電0.3C充電，充電電流僅為80A，有效降低交流側(cè)的導(dǎo)線線徑和直流觸頭;有效提高電池組內(nèi)電池均衡。換電方式還便于電池使用過(guò)程中的維護(hù)，及早發(fā)現(xiàn)電池差異，對(duì)電池組進(jìn)行均衡處理，甚至更換性能差異較大的電池，有效延長(zhǎng)電池組的壽命。同時(shí)，當(dāng)動(dòng)力電池?zé)o法在電動(dòng)車(chē)上應(yīng)用時(shí)，電池性能僅下降了30%-40%左右，還有巨大的利用空間，可在變電站直流電源、儲(chǔ)能電站等方面對(duì)電池進(jìn)行梯次利用。另外，還可以根據(jù)行車(chē)路線，做到電機(jī)、電池重量與車(chē)輛運(yùn)行最佳匹配，比如按照兩個(gè)來(lái)回70公里，電池僅六七百公斤。這樣，節(jié)省電池，降低車(chē)的重量，提高運(yùn)行維護(hù)效率和效益。因此，通過(guò)換電方式，延長(zhǎng)動(dòng)力電池利益鏈，有效減少電動(dòng)車(chē)使用動(dòng)力電池的成本，提高電動(dòng)車(chē)經(jīng)濟(jì)性。
從電網(wǎng)安全分析。公交車(chē)采用充電方式，將造成高電壓、大電流的直流充電機(jī)大規(guī)模集中接入電網(wǎng)，給配電網(wǎng)帶來(lái)較大負(fù)荷沖擊，造成配電網(wǎng)的嚴(yán)重過(guò)載。同時(shí)充電機(jī)負(fù)荷為非線性負(fù)載，會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重諧波污染，北京奧運(yùn)充電站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，充電機(jī)造成電流諧波畸變率高達(dá)30～40%，如果不加治理，將嚴(yán)重影響電網(wǎng)和用戶的穩(wěn)定運(yùn)行及電能質(zhì)量。因此，電動(dòng)車(chē)充換電方式的選擇和充電設(shè)施建設(shè)要與我國(guó)電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀相結(jié)合，只有保證電網(wǎng)可靠運(yùn)行，才能保證電動(dòng)車(chē)的電能供給。
綜上，充電與換電方式的選擇不能單純從車(chē)輛方面考慮，需要從公交應(yīng)用需求、設(shè)備技術(shù)可行性、電網(wǎng)安全、電動(dòng)車(chē)整體經(jīng)濟(jì)性等各方面系統(tǒng)的看問(wèn)題，選擇合理的電能供給方式。
三、探索與實(shí)踐
在我國(guó)作為最初探索換電方式實(shí)現(xiàn)于2005年，可能也是世界上第一個(gè)快換設(shè)施在蘭州建立，服務(wù)于2臺(tái)公交車(chē)，安全行駛5萬(wàn)公里。
2008年北京奧運(yùn)會(huì)期間投入50輛純電動(dòng)公交車(chē)，配套建設(shè)一個(gè)電池更換站，國(guó)內(nèi)第一次采用電池更換方式為電動(dòng)商用車(chē)服務(wù)，取得了一定的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。
2010年上海世博會(huì)期間投入120輛純電動(dòng)公交車(chē)，配套建設(shè)一個(gè)電池更換站，國(guó)內(nèi)第一次大規(guī)模采用電池更換方式為電動(dòng)商用車(chē)服務(wù)，并實(shí)現(xiàn)高負(fù)荷運(yùn)行，取得了豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。
2010年廣州亞運(yùn)會(huì)，20輛快換方式電動(dòng)公交車(chē)，直接進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。
2006年初，國(guó)家電網(wǎng)公司就做出推動(dòng)電動(dòng)車(chē)發(fā)展的戰(zhàn)略部署。幾年來(lái)，公司創(chuàng)造性、系統(tǒng)性地開(kāi)展了卓有成效的工作，在標(biāo)準(zhǔn)體系創(chuàng)新、設(shè)備技術(shù)創(chuàng)新、運(yùn)營(yíng)模式創(chuàng)新和智能服務(wù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與規(guī)劃創(chuàng)新等方面，引領(lǐng)電動(dòng)車(chē)充換電服務(wù)的發(fā)展方向。智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)示范工程青島薛家島充換儲(chǔ)放一體化站，是集公交車(chē)充換電、乘用車(chē)電池集中充電、儲(chǔ)能應(yīng)用于一體的電動(dòng)車(chē)充換電站，于今年7月11日正式投運(yùn)。公交車(chē)充換電站為青島市公交線路上運(yùn)行的電動(dòng)公交車(chē)提供換電服務(wù)，可滿足280輛電動(dòng)公交車(chē)的換電需求;集中充電站可為1440箱乘用車(chē)電池實(shí)現(xiàn)集中充電，為黃島區(qū)電動(dòng)乘用車(chē)提供集中充電和電池配送服務(wù);示范電站可實(shí)現(xiàn)5.6萬(wàn)kWh電能儲(chǔ)存，已實(shí)現(xiàn)1.1萬(wàn)kWh電能儲(chǔ)放功能;是目前世界上功能最全、規(guī)模最大、服務(wù)能力最強(qiáng)的電動(dòng)車(chē)充換電站。
研究和實(shí)踐表明，無(wú)論是從整車(chē)、電池、電機(jī)電控，還是從公交車(chē)運(yùn)營(yíng)管理、充換電服務(wù)，闖出一條符合中國(guó)國(guó)情、具有中國(guó)特色的城市公交車(chē)電動(dòng)化之路是可行的、必然的，也是一定會(huì)成功的。
