纯电动车辆动力电池选配分析

娄金荣 严均治 刘永平

（1.重庆北部公共交通有限公司，重庆 400700；2.重庆两江公共交通有限公司，重庆 401122）

1 研究背景

近几年石油的消耗量不断增加，而地球上的原油总量却是固定的。专家预计到了2050年世界石油将会用尽，那时一切以石油为能源的工具都将无法使用，这里面就包含汽车。所以，新能源汽车就成了人类的不二选择[1]。

中国在新能源汽车研究方面起步较晚，所以采取了很多优惠政策来鼓励新能源汽车发展。除了向研发单位给予大量资金、技术和人员支持外，中国政府对新能源汽车的推广普及也下了大力气，除大量建设新能源汽车能量补给站之外，还对新能源汽车的交易实行免购车税政策，这些政策都大大促进了中国新能源汽车产业的发展。在众多政策引导下，公交企业的新能源客车推广运用也十分积极活跃。

新能源公交车具有不同的技术路线，而动力电池是决定新能源公交车技术路线的重要因素，因此，围绕新能源车辆动力电池选配开展分析研究很有必要。

2 新能源汽车发展现状

2.1 混合动力汽车

混合动力汽车是最易实现的新能源汽车，所以目前人们在混合动力汽车方面取得的成就是最大的，但大多数混合动力汽车都以汽油或柴油作为一种燃料，说明混合动力汽车只是减缓了化石燃料的消耗，并不能完全停止使用化石能源，所以混合动力汽车虽然已普及，且不存在较大技术难题，但还是会逐渐被淘汰的。

2.2 电动汽车

电动汽车也是较为成熟的新能源车种，但其目前仍有几个技术难题需要攻克[2]。例如电池技术——充电电池是有一定寿命的，且一定体积的充电电池能储存的电能也是有限的，所以长寿命且储能高、充电快的充电电池是电动汽车普及的关键。此外，电动汽车消耗的是电能，故怎样获得廉价且清洁的电能就成为一个问题。最后一个难题就是电动机的输出问题——电动机都有最高功率，这就决定了电动汽车的最高速度以及加速度都有界限，如何提高电动机最大功率也就成了一个难题。如果能解决这些问题，电动汽车普及就畅通无阻了。

2.3 氢动力汽车

氢动力汽车作为前景极佳的无污染新能源汽车，其研发却是阻碍重重。首要问题就是氢制取问题——电解制氢一类的方法无疑成本过高。另一问题就是氢气安全存储问题——氢气爆炸的范围是4%到75%，可见氢气是一种极易爆炸的气体，必须妥善存储，但安全与大量存储很难同时实现。

2.4 太阳能汽车

太阳能汽车利用的是取之不尽用之不竭的太阳能，其清洁程度甚至优于氢动力汽车，但其技术难度实在太高，所以现在很少有人研究。汽车的表面积是有限的，自然接受光照的面积有限，要想收集足够的光能，太阳能电池板的能量转换率就成了关键[3]。目前能量转换率最高的太阳能电池为美国特拉华大学生产的超高效太阳能电池，转换效率达到了42.8%，但这也远远不够。

总体来看，鉴于各种新能源汽车的技术难点，目前世界范围内新能源汽车的主流导向还是大力推广电动汽车，因此如何正确选择纯电动车辆的技术路线尤为重要。

3 纯电动车辆技术路线的选择

在车型选择上，以当前主流的纯电动车辆选型为例，车辆选型时应充分考虑技术路线、运营需求和政策导向等诸多因素，以重庆公交W公司车长8.5m左右的纯电动公交车选型为例，经深入研究，我们对比了不同技术路线的优势与不足，详见表1。

表1 纯电动公交车慢充与快充两种技术路线对比表

技术路线是纯电动公交车配置的关键，而技术路线的选择取决于企业所在城市电网及充电设施的配套情况。充分对比两种技术路线的特点后，从安全性、运营便捷性以及长期成本等角度考虑，W公司认为8.5m纯电动公交车选择慢充技术路线更适合公司的发展要求。

4 W公司纯电动公交车选配分析

4.1 运行特点分析

据W公司营运部门介绍，该公司即将采购的32台8.5m纯电动公交车以光亮城为中心，按照W公司创建五星线路标准重点打造583路和585路精品线路，既有线路目前使用车型为恒通CKZ6772型穿梭巴士，最大日运营里程在180km以内，发班间隔不得超过10min。

4.2 电池行业状况分析

纯电动车核心部件动力电池性能对比见表2。

从表2看出，安全性：磷酸铁锂＞钛酸锂＞锰酸锂＞三元＞钴酸锂；寿命：钛酸锂＞磷酸铁锂＞锰酸锂＞三元＞钴酸锂；能量密度：钴酸锂＞三元＞锰酸锂＞磷酸铁锂＞钛酸锂；招标选择面：磷酸铁锂＞锰酸锂＞三元＞钛酸锂＞钴酸锂。

表2 动力电池性能对比

4.3 主机厂电池装机分析

结合W公司所在城市市场主流客车厂家8.5m纯电动公交车实际销售现状，本次分析仅筛选安凯、福田、中通、海格、宇通、金龙和金旅7个厂家的44个车型。

按电池品牌，CATL（宁德时代）占77.3%、微宏占13.6%、盟固利占9.1%，CALT占据绝对主流。

按电池种类，磷酸铁锂占77.3%、锰酸锂占22.7%，磷酸铁锂占绝对主流。

从上述两个维度来看，配置CATL磷酸铁锂电池的纯电动公交车属行业主流成熟产品，而以CATL磷酸铁锂电池配套的整车属于慢充技术路线的典型代表。

4.4 多角度综合分析

线路调度上，根据营运部门介绍，创建精品线路对发班间隔要求不得超过10min，线路调度十分严格。

如果采用慢充车辆，投放前3-5年白天基本无需补电即可完全满足线路调度，驾驶员劳动强度低，慢充车给驾驶员带来的额外工作更少。

如果采用快充车辆，从投放起白天就需要进行补电来满足线路调度，额外增加驾驶员工作量，同时为降低人工成本，快充车需要驾驶员在每天正常收班后延迟约30min下班充电，或每天正常开班前提前约30min上班充电，需做好驾驶员的情绪管理与激励。

运营里程上，根据营运部门介绍，单车最大日运营里程≤180km，行业8.5m纯电动公交车的实际运营电耗按0.70kWh/km测算。

如果选择慢充车辆，电量搭载匹配不低于180kWh电量（按预留20%的安全电量），安排所有车辆在夜间充满电即可在不对现有运营调度做任何调整的情况下满足既有线路一天的正常运营。由于动力电池固有的物理特性，电池在使用过程中都会存在一定的衰减，按新车配置180kWh电池，车辆运营八年电池衰减30%进行测算，第8年时车辆充满一次电可以运行约144km，较实际里程缺口36km，折算成电量缺口约25kWh，如按120kW充电桩测算，1h可以充电约120kWh，缺口电量需充电约12min，换言之，第8年时白天需补电2次。

如果选择快充车辆，以8.5m车配置100kWh微宏锰酸锂电池（按预留20%的安全电量）为例，新车状态充满一次电可以运行约114km，较实际里程缺口66km，折算成电量缺口约46kWh，按车辆剩余20%电量充满需要24min计，每分钟充电量3.33kWh，缺口电量充电时间约14min，第一年白天需补电2-3次；车辆运营八年电池衰减30%，第8年时车辆充满一次电可以运行约80km，较实际里程缺口100km，折算成电量缺口约70kWh，缺口电量需充电约21min，第八年白天需补电4-5次。

另外，未来公交社区接驳优势导致线路越来越短，配置合适电量的慢充车，也可以让驾驶员专心开车，无需考虑车辆白天补电的问题。

4.5 充电设施匹配分析

4.5.1 快充技术路线

需要大功率充电桩输出大电流才能实现，且需在白天进行多次充电，当多个车同时充电时对电网冲击大，带来的安全隐患加大，并且白天电价高，增加运营成本，据了解，重庆地区目前还没有哪个地方在大规模、长时间使用快充纯电动公交车，加上特殊的自然气候环境也给大规模投放快充纯电动公交车带来一定的安全考验。重庆市某区公交公司自2015年起开始使用锰酸锂快充公交车，据该公交公司介绍，车辆故障率高、电池衰减快，在前期充电设施建设方面投入巨大，还给驾驶员带来更大的劳动强度，后续在基础设施允许的条件下，还是会优先购置慢充车。

4.5.2 慢充技术路线

只需适当功率充电桩输出适当电流即可，且充电时间基本集中在夜间，不仅可以申请享受波谷低电价，还可以减少对电网大负荷冲击的影响，既提高安全性又降低运营成本，一举两得。更值得注意的是，在特定的自然气候环境下，重庆市多个区县已经大规模购买并使用慢充纯电动公交车，且各方均反映使用效果很好。

4.6 综合成本分析

4.6.1 购置成本

例8中译文保留关键词“治理国家能力”和“中国特色社会主义制度”，用动词improve表示“不断提高运用”。 这里译者根据原文的含义进行调整使译文体现出英文的简洁表达特点，又如：

假设慢充车比快充车单车成本高5万元，按采购32台车计算，采购车辆将多支出160万元。

4.6.2 人工成本

快充车都是利用发班间隙进行快速充电，以满足下一趟班次的运营需要，充电工作往往由驾驶员直接做，虽然无需额外增加定员成本支出，但每人收班后延时30min至60min时间，若长期执行，公司有必要考虑增加驾驶员延时类津补贴，按W公司当前13.5元/h延时补贴标准计算，参照2休1作业模式，人均补贴3285元/年，32台车预计投入补贴支出10.5万元/年。慢充车则是利用夜间收班后集中充电，白天根据需要有条件的适当补电，需考虑夜间单独安排值守人员，其人工成本支出6万元/年。可以看出，投放32台慢充纯电动车8年下来可节省人工成本约36万元。

4.6.3 电价差额

波谷电按0.3元/kWh，平峰电按0.6元/kWh（具体以与电网公司、承建方洽谈签订的服务协议为准），电价差0.3元/kWh，车辆运营8年，电池8年衰减率30%，电池使用时间与性能衰减统计情况见表3。可以得出运营8年下来一台车每天的电费差异。

表3 电池使用时间与性能衰减统计表

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，按每月运行28天，8年下来的电价总差额为76元/（天·8年）×28天/月×12月×8年×32台≈82万元。投放32台慢充纯电动车8年下来可节省电费成本约82万元。

4.6.4 综合成本

在车辆维修、驾驶员工资、保险、折旧等支出相当的情况下，成本差异主要体现在购置成本、附加人工成本、电费成本三大块，通过综合成本对比计算，投放32台纯电动公交车运营8年，折算慢充车比快充车每月每车多支出约137元，慢充车与快充车综合成本基本相当。

4.7 行业状况分析

目前，交通行业安全生产形势总体平稳，在大力发展新能源车特别是纯电动车的大趋势下，确保纯电动公交车安全可靠、技术成熟先进始终应放在第一位。

（1）从电池性能对比来看，安全系数最高的当属磷酸铁锂电池，代表厂家多，且在全国市场装机量大；行业相关研究机构的资料均显示，磷酸铁锂电池的安全性优于锰酸锂电池。

（2）从电池装机量来看，2021年前10个月国内新能源汽车动力电池装机量数据显示，以磷酸铁锂见长的宁德时代、比亚迪、国轩高科等电池行业巨头排名前三[4]，说明磷酸铁锂电池无论是安全性还是实际使用效果都得到市场广泛接受和认可。

（3）从8.5m纯电动公交车动力电池配置来看，CATL的磷酸铁锂动力电池属行业主流成熟产品，而以CATL磷酸铁锂动力电池配套的整车属于慢充技术路线的典型代表。

4.8 场地需求分析

4.8.1 慢充技术

单车充电时间长，需要将车辆集中进行夜间充电，充电桩的利用效率相对较低，故车辆数量越多，对场地的需求越大。

4.8.2 快充技术

由于单车充电时间短，充电桩的利用效率相对较高，车辆无需集中停放即可满足充电需求。不可否认，在土地资源需求方面，快充模式确实占绝对优势。

5 总结

人类认识事物的过程是从实践到理论，再从理论到实践的过程，如此不断循环，认识和管理水平才能够得到不断提升。本文以重庆公交W公司32台纯电动公交车动力电池选配为例，通过对慢充、快充两种技术路线进行深入对比分析，以及对全生命周期的动力电池衰减特性进行研究，从动力电池安全性、可靠性、成熟度、先进性、装机量以及运营调度需求、充电设施匹配、综合成本分析等方面全面考量，最终确定32台8.5m纯电动公交车选择配置宁德时代CATL磷酸铁锂动力电池的慢充技术路线。