電動(dòng)客車動(dòng)力電池的裝配容量與整車輕量化的關(guān)系

范宗武，王波，林偉

（山東沂星電動(dòng)汽車有限公司，山東 臨沂 276017）

電動(dòng)客車動(dòng)力電池的裝配容量與整車輕量化的關(guān)系

范宗武，王波，林偉

（山東沂星電動(dòng)汽車有限公司，山東 臨沂 276017）

結(jié)合應(yīng)用實(shí)例，闡述純電動(dòng)客車的動(dòng)力電池裝配容量與整車輕量化的關(guān)系，提出換電模式的電動(dòng)客車其動(dòng)力電池的裝配容量也不宜過(guò)小的觀點(diǎn)。

電動(dòng)客車；動(dòng)力電池裝配容量；整車輕量化

動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的最關(guān)鍵部件之一，也是國(guó)家劃分與衡量電動(dòng)汽車技術(shù)成熟度的主要依據(jù)。裝配鋰離子電池的電動(dòng)車被劃歸為起步期產(chǎn)品[1]，恰恰說(shuō)明鋰離子電池技術(shù)對(duì)整車的影響程度。目前，雖然國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的鋰離子電池各項(xiàng)性能均有很大提高，但電池成組后的使用壽命、一致性、高低溫充放電性能、安全性、電池成本及能量密度等方面仍然無(wú)法完全滿足電動(dòng)汽車實(shí)際運(yùn)行的需求。這些制約因素給純電動(dòng)汽車的發(fā)展帶來(lái)了一定的影響[2]。

1 電動(dòng)客車整備質(zhì)量特點(diǎn)

在電動(dòng)客車初期設(shè)計(jì)時(shí)，首先要考慮電池總?cè)萘康钠ヅ洌囕v必須裝載足夠的電能，才能滿足路況負(fù)荷、續(xù)駛里程、整車性能（最高車速、爬坡度、加速時(shí)間等）的使用要求。一般動(dòng)力電池總?cè)萘康脑O(shè)計(jì)是以設(shè)計(jì)任務(wù)書中的最大續(xù)駛里程指標(biāo)為目標(biāo)值，結(jié)合電機(jī)功率，采用等速法反向推算出來(lái)[3]。以12m雙軸純電動(dòng)城市客車為例，目前在實(shí)際公交路況下的能耗水平為1.1～1.3 kW·h/km（夏季開(kāi)空調(diào)時(shí)能耗為1.3～1.5 kW·h/km）。如果公交線路每天運(yùn)行總里程按200 km計(jì)算，則車輛需裝載動(dòng)力電池的電能為220～300 kW·h，才能完成一天的公交運(yùn)行里程。目前鋰離子電池組的能量密度基本在80～100 kW·h/kg范圍內(nèi)[4]，需裝載動(dòng)力電池質(zhì)量達(dá)2.2～3.3 t，致使傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)車身的整車整備質(zhì)量達(dá)到14～15 t。依據(jù)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB1589-2004的要求[5]，雙軸車最大總質(zhì)量不得大于18 t，那么，其載客量只能在40～65人之間。作為12 m的城市客車，如此小的運(yùn)載能力是無(wú)法滿足高峰期客流運(yùn)載需求的，也是運(yùn)營(yíng)部門不能接受的。

采用快速更換電池模式的純電動(dòng)客車可以大大提高車輛利用率，克服電池充電對(duì)環(huán)境溫度的依賴性[6]，是一種很具推廣價(jià)值的運(yùn)營(yíng)模式。在客車制造廠家無(wú)法大幅降低整車整備質(zhì)量的情況下，換電模式的電動(dòng)客車似乎解決了整備質(zhì)量與裝載電能的矛盾，甚至以為通過(guò)換電池可使電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程指標(biāo)變得無(wú)足輕重，同時(shí)也可降低電池成本（整車成本），其實(shí)換電模式的車輛同時(shí)帶來(lái)了新的問(wèn)題——換電模式的電動(dòng)車由于可以通過(guò)快速更換電池組使車輛繼續(xù)行駛，解決了電動(dòng)車的續(xù)駛里程短的問(wèn)題，所以換電式車輛的電池裝載容量都較充電式的少很多，這從而導(dǎo)致在克服相同的道路載荷時(shí)，電池組的放電倍率大，其電池的使用壽命短[7]。

2 整車輕量化的影響

2.1 對(duì)整車性能的影響

目前，動(dòng)力電池能量密度相對(duì)較低，電動(dòng)汽車只有通過(guò)車身輕量化設(shè)計(jì)、減輕整車自重，才能降低能量消耗、提高運(yùn)載能力、增加動(dòng)力電池的容量、提高續(xù)駛里程[8-10]。

對(duì)由兩家電動(dòng)客車廠家研制的兩輛12 m純電動(dòng)城市客車在某濱海城市的一條公交線路上的運(yùn)行作了對(duì)比，其綜合比較情況見(jiàn)表1。

表1 兩廠純電動(dòng)城市客車綜合對(duì)比表

實(shí)驗(yàn)證明，若汽車整車質(zhì)量降低10%，可節(jié)約能耗6%～8%。汽車的輕量化已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流。

2.2 對(duì)電池放電性能的影響

上述甲乙兩車型的電池組放電環(huán)境如圖1所示，電池容量如同蓄水池的水的容積，電壓如水位高度差。放電電流I的大小如同放水開(kāi)關(guān)的管徑大小。很明顯，在相同的水量要求下（即在相同的路況負(fù)荷，也即相同的功率需求下），I2總是大于I1，即乙廠車電池組放電電流要恒比甲廠車大。從電池的工作效率及使用壽命來(lái)講，電池放電電流一般為C/3為宜[11]（即甲廠車為400/3=133 A，乙廠車為255/3=85 A）。如果路況負(fù)荷要求車輛提供70 kW的功率，根據(jù)能量守恒原理，無(wú)論車輛的動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如何設(shè)置，最終都要求電池組提供不小于70 kW的功率，甲廠車此時(shí)放電電流約為121 A即可（小于C/3），而乙廠車需放電電流129 A，超過(guò)C/2。根據(jù)有關(guān)蓄電池的工作理論，蓄電池的工作效率與放電電流大小成反比，與放電時(shí)的端電壓成正比。要有效地利用蓄電池的能源，應(yīng)選擇盡可能小的工作電流[11]，所以乙廠車電池組的工作效率及使用壽命相對(duì)甲廠車低。

2.3 電池容量對(duì)電池充電性能的影響

由以上分析可知，甲廠車配備的電池組能輕松地完成路況負(fù)荷；而乙廠車配置如同小馬拉大車，長(zhǎng)此以往的后果必然是小馬早夭。

以上是在甲廠車載客92人、乙廠車載客62人、車輛不超載的情況下推算的。但實(shí)際情況：城市客車高峰時(shí)段超載運(yùn)行是無(wú)法避免的。如乙廠車也載客92人，在嚴(yán)重超載的情況下，電池組的放電電流勢(shì)必更大（當(dāng)然能耗也更高）。與甲廠車的電池組相比，乙廠車始終處于大電流放電狀態(tài)，其使用壽命肯定要短，這是公交公司不愿接受的。

綜合分析，甲廠與乙廠在造車?yán)砟钌洗嬖诓町悾杭讖S車的電池配備（充電模式）充分考慮到了路況負(fù)荷、運(yùn)載力、續(xù)駛里程的要求，并確保電池處于良好的工作環(huán)境。而乙廠認(rèn)為，換電模式下無(wú)需過(guò)多地考慮續(xù)駛里程，可以少裝電池，節(jié)約整車成本，然后卻忽視了因裝配電能不足而使電池處于惡劣的工作環(huán)境；也可能是乙廠深知以上缺點(diǎn)，由于無(wú)法破解整車自重過(guò)大的缺陷，而采取的無(wú)奈之舉（如果乙廠車電池也裝到甲廠車的數(shù)量，則該車只能載客36人，12 m的車只能當(dāng)中型客車用）。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上分析，充分彰顯了采用輕量化技術(shù)的甲廠電動(dòng)客車的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。盡管電源技術(shù)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)汽車至關(guān)重要，但是車身設(shè)計(jì)、各系統(tǒng)及配置的合理匹配同樣重要，整車輕量化技術(shù)同樣是電動(dòng)汽車的核心技術(shù)[12]。

[1]張玲玲.節(jié)能與新能源汽車年鑒2010[M].北京：中國(guó)經(jīng)濟(jì)出版社，2010.

[2]胡驊，宋慧.電動(dòng)汽車[M].北京：人民交通出版社，2003.

[3]徐本祥.NPS6120BEV純電動(dòng)客車動(dòng)力系統(tǒng)及控制策略設(shè)計(jì)[J].客車技術(shù)與研究，2011，33（2）：36-38.

[4]黃可龍，王兆翔，劉素琴.鋰離子電池原理與關(guān)鍵技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[5]GB1589-2004，道路車輛外廓尺寸、軸荷和質(zhì)量限值[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

[6]陳鳴.上海世博園純電動(dòng)大客車[J].客車技術(shù)與研究，2011，33（2）：64-67.

[7]張亮，郭秀紅.純電動(dòng)大客車電池容量匹配算法及Matlab仿真[J].公路與汽運(yùn)，2011，（4）

[8]萬(wàn)沛霖.電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1998.

[9]李名惠，盧曉春.CAD/CAE/CAM一體化技術(shù)在汽車經(jīng)理化的應(yīng)用[J].公路與汽動(dòng)，2002，（4）

[10]劉一蒙，劉曦，張攀，等.某特種車駕駛室輕量化設(shè)計(jì)[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2009，（2）：89.

[11]陳清泉，孫逢春.現(xiàn)代電動(dòng)車技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[12]李興虎.電動(dòng)汽車概論[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2005.

修改稿日期：2012-05-22

Relationship between Electric Bus Power Battery Assembly Capacity and Vehicle Lightweight

FAN Zong-wu,WANG Bo,LIN Wei
(Shandong Yixing Electric Vehicle Co.,Ltd,Linyi 276017,China)

Combining the application example,the authors elaborate the relationship between the power battery assembly capacity and vehicle lightweight of pure electric bus,and put forward the viewpoint that the replaced batteries mode power battery assembly capacity of the electric bus should not be to olittle,too.

electric bus;power battery assembly capacity;vehicle lightweight

U462.2；TM912

B

1006-3331（2012）04-0023-03

范宗武（1967-），男，工程師；質(zhì)量副總；研究方向：純電動(dòng)汽車總體設(shè)計(jì)。