電動客車動力電池的裝配容量與整車輕量化的關系

范宗武，王波，林偉

（山東沂星電動汽車有限公司，山東 臨沂 276017）

電動客車動力電池的裝配容量與整車輕量化的關系

范宗武，王波，林偉

（山東沂星電動汽車有限公司，山東 臨沂 276017）

結合應用實例，闡述純電動客車的動力電池裝配容量與整車輕量化的關系，提出換電模式的電動客車其動力電池的裝配容量也不宜過小的觀點。

電動客車；動力電池裝配容量；整車輕量化

動力電池是電動汽車的最關鍵部件之一，也是國家劃分與衡量電動汽車技術成熟度的主要依據。裝配鋰離子電池的電動車被劃歸為起步期產品[1]，恰恰說明鋰離子電池技術對整車的影響程度。目前，雖然國內生產的鋰離子電池各項性能均有很大提高，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法完全滿足電動汽車實際運行的需求。這些制約因素給純電動汽車的發展帶來了一定的影響[2]。

1 電動客車整備質量特點

在電動客車初期設計時，首先要考慮電池總容量的匹配，車輛必須裝載足夠的電能，才能滿足路況負荷、續駛里程、整車性能（最高車速、爬坡度、加速時間等）的使用要求。一般動力電池總容量的設計是以設計任務書中的最大續駛里程指標為目標值，結合電機功率，采用等速法反向推算出來[3]。以12m雙軸純電動城市客車為例，目前在實際公交路況下的能耗水平為1.1～1.3 kW·h/km（夏季開空調時能耗為1.3～1.5 kW·h/km）。如果公交線路每天運行總里程按200 km計算，則車輛需裝載動力電池的電能為220～300 kW·h，才能完成一天的公交運行里程。目前鋰離子電池組的能量密度基本在80～100 kW·h/kg范圍內[4]，需裝載動力電池質量達2.2～3.3 t，致使傳統鋼結構車身的整車整備質量達到14～15 t。依據我國標準GB1589-2004的要求[5]，雙軸車最大總質量不得大于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，如此小的運載能力是無法滿足高峰期客流運載需求的，也是運營部門不能接受的。

采用快速更換電池模式的純電動客車可以大大提高車輛利用率，克服電池充電對環境溫度的依賴性[6]，是一種很具推廣價值的運營模式。在客車制造廠家無法大幅降低整車整備質量的情況下，換電模式的電動客車似乎解決了整備質量與裝載電能的矛盾，甚至以為通過換電池可使電動汽車的續駛里程指標變得無足輕重，同時也可降低電池成本（整車成本），其實換電模式的車輛同時帶來了新的問題——換電模式的電動車由于可以通過快速更換電池組使車輛繼續行駛，解決了電動車的續駛里程短的問題，所以換電式車輛的電池裝載容量都較充電式的少很多，這從而導致在克服相同的道路載荷時，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 對整車性能的影響

目前，動力電池能量密度相對較低，電動汽車只有通過車身輕量化設計、減輕整車自重，才能降低能量消耗、提高運載能力、增加動力電池的容量、提高續駛里程[8-10]。

對由兩家電動客車廠家研制的兩輛12 m純電動城市客車在某濱海城市的一條公交線路上的運行作了對比，其綜合比較情況見表1。

表1 兩廠純電動城市客車綜合對比表

實驗證明，若汽車整車質量降低10%，可節約能耗6%～8%。汽車的輕量化已經成為世界汽車發展的潮流。

2.2 對電池放電性能的影響

上述甲乙兩車型的電池組放電環境如圖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的大小如同放水開關的管徑大小。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）。如果路況負荷要求車輛提供70 kW的功率，根據能量守恒原理，無論車輛的動力傳動機構如何設置，最終都要求電池組提供不小于70 kW的功率，甲廠車此時放電電流約為121 A即可（小于C/3），而乙廠車需放電電流129 A，超過C/2。根據有關蓄電池的工作理論，蓄電池的工作效率與放電電流大小成反比，與放電時的端電壓成正比。要有效地利用蓄電池的能源，應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甲廠車低。

2.3 電池容量對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荷；而乙廠車配置如同小馬拉大車，長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。但實際情況：城市客車高峰時段超載運行是無法避免的。如乙廠車也載客92人，在嚴重超載的情況下，電池組的放電電流勢必更大（當然能耗也更高）。與甲廠車的電池組相比，乙廠車始終處于大電流放電狀態，其使用壽命肯定要短，這是公交公司不愿接受的。

綜合分析，甲廠與乙廠在造車理念上存在差異：甲廠車的電池配備（充電模式）充分考慮到了路況負荷、運載力、續駛里程的要求，并確保電池處于良好的工作環境。而乙廠認為，換電模式下無需過多地考慮續駛里程，可以少裝電池，節約整車成本，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境；也可能是乙廠深知以上缺點，由于無法破解整車自重過大的缺陷，而采取的無奈之舉（如果乙廠車電池也裝到甲廠車的數量，則該車只能載客36人，12 m的車只能當中型客車用）。

3 結束語

通過以上分析，充分彰顯了采用輕量化技術的甲廠電動客車的強大優勢。盡管電源技術、電機驅動及控制系統對電動汽車至關重要，但是車身設計、各系統及配置的合理匹配同樣重要，整車輕量化技術同樣是電動汽車的核心技術[12]。

[1]張玲玲.節能與新能源汽車年鑒2010[M].北京：中國經濟出版社，2010.

[2]胡驊，宋慧.電動汽車[M].北京：人民交通出版社，2003.

[3]徐本祥.NPS6120BEV純電動客車動力系統及控制策略設計[J].客車技術與研究，2011，33（2）：36-38.

[4]黃可龍，王兆翔，劉素琴.鋰離子電池原理與關鍵技術[M].北京：化學工業出版社，2007.

[5]GB1589-2004，道路車輛外廓尺寸、軸荷和質量限值[S].北京：中國標準出版社，2004.

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

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

[8]萬沛霖.電動汽車的關鍵技術[M].北京：北京理工大學出版社，1998.

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

[10]劉一蒙，劉曦，張攀，等.某特種車駕駛室輕量化設計[J].四川兵工學報，2009，（2）：89.

[11]陳清泉，孫逢春.現代電動車技術[M].北京：清華大學出版社，2005.

[12]李興虎.電動汽車概論[M].北京：北京理工大學出版社，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；質量副總；研究方向：純電動汽車總體設計。