电动公交车能源补给模式及充电策略研究综述

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  前面的系列文章综述了电动公交车动力电池的类别、特点及技术性能的影响因素，并且提出了几方面电池使用的建议。本篇文章更进一步梳理分析不同地域及使用情况下的公交车能源补给模式及各自特点，聚焦公交充电策略，结合各地充电桩配建实践及经验，寻找充电设施建设的考虑因素，为电动公交车的推广应用及场站建设提供建议。

  根据国务院发布的《新能源汽车产业高质量发展规划（2021—2035年）》，发展新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路，是应对气候平均状态随时间的变化、推动绿色发展的战略举措。我们国家新能源汽车的发展趋势最重要的包含“纯电动汽车、插电式混合动力（含增程式）汽车、燃料电池汽车”三个方向，而其中又以“纯电动汽车成为新销售车辆的主流”，进一步延续了“纯电驱动战略取向”。

  新能源汽车作为中国战略性新兴起的产业之一，产业规模和技术水平发展迅速，从2015年产销量跃居全球首位开始，产销规模连续多年蝉联全球第一。根据公安部交通管理局统计数据，截至2020年底，全国新能源汽车(纯电动车、混动车及氢燃料电池车)保有量达492万辆,比2019年增加111万辆,增长29.18%。其中,纯电动汽车保有量为400万辆,占新能源汽车总量的81.32%。新能源汽车增量连续三年超过百万辆。根据中汽协的数据，截至2021年5月底，我们国家新能源汽车保有量约580万辆，约占全球新能源汽车总量的50％。

  虽然我们国家新能源汽车产业高质量发展取得了巨大成就，变成全球汽车产业发展转型的重要力量之一，但与此同时，我们国家新能源汽车发展也面临基础设施建设仍显滞后、产业生态尚不健全等问题，尤其以充电桩等基础设施建设不足为突出制约因素。截至2021年6月底，全国共计有92.4万台公共类充电桩，环比增加3.90万台，6月同比增长65.4%。其中直流充电桩37.4万台、交流充电桩55.0万台、交直流一体充电桩426台[1]。截至2021年7月，我国电动汽车共享私桩数量达6.5万台，随车配建充电桩106.4万台[2]。整体看来，中国充电基础设施的建设相对于新能源汽车的增速是持续滞后的，充电接口与新能源汽车数量之比远低于1:1的要求[3]。公共交通领域，受到公共交通场站数量不足及分布不均衡的制约，公交车辆充电难、充电场站远的问题更为突出，导致了较多的非营运里程，也制约了电动公交车的高效利用。

  冯欣等[4]的研究表明，新能源汽车充电模式主要有整车充电和电池更换两大类。电池更换模式能源补给时间短，对电网的冲击小，但成本比较高，难以被大范围的应用。整车充电模式又包含传导式充电模式和感应式充电（即无线充电模式），其中被大范围的应用的传导式充电模式又分为交流电充电和直流电充电两种。公共充电站（如大中型城市、高速公路充电站等）注重充电效率，多用直流电充电模式，小范围有无线充电模式和电池更换模式的应用。直流充电又分为快充和慢充两种，充电机功率大，速度快，建设和经营成本较高；无线充电模式的配套设施的建设与维护成本高。私人充电桩则多用交流电充电模式，该模式以交流电形式转化为直流电输出，充电效率相对较低，充电时间长，但优势在于能够充分利用夜间波谷时期充电，减轻电网压力，在实际生活中实用性很强。

  公交车辆的充电模式方面，公交电池更换模式具有提高车辆利用率、电池充电温度可控、电池维护便利以及可以利用谷电充电等优点，虽然早期的公交充电站如北京奥运会电动公交车充电站、上海世博会电动公交车充电站及广州亚运会电动公交车充电站均采用了电池更换模式，但是电池更换存在着需要准备大量备用电池组、需要使用相关的更换设备和更换场地、投资规模大企业难以承担、占地面积大不适合广泛推广等缺点，随着公交车整车传导式充电技术及充电速度的提升，已经由早期的0.3C提升至2C以上，公交电池更换的模式优势已经不明显，整车充电模式已经发展为公交车能源补给的模式。

  感应式充电模式（无线充电技术），源于无线电能传输技术，是一种新兴的充电技术，因其安全系数高、无充电接口匹配问题、直接埋地敷设线圈无裸漏电线等优点，受到了各国重视。我国无线充电技术起步较晚，技术壁垒较高，目前暂未规模化应用于我国市场当中。随着当今世界向着高度信息化方向发展，发展电动汽车无线充电技术是大势所趋。采用无线充技术，也让电动汽车发展的道路更加宽广。同时由于无线充电设备的安装对电动汽车整体机械结构改动较大， 无线充电站或无线充电线路建设成本比较高，国家政策扶持力度较小，目前仍处于实验开发阶段[5]。

  交流充电模式即利用交流充电桩，使用国家标准的车载充电接口，采用传导式的充电方法为电动汽车提供能源供给的模式。交流充电桩采用嵌入式模块化技术，不对电网电流进行控制，具有技术简单、安全系数较高、制造建设成本低的特点，是我国目前应用最为广泛的一种充电方式。但因其充电速率慢、盈利能力弱、运营商后期运维能力弱，使得交流充电桩的推广与发展受到了一定阻碍[5]。

  直流充电模式即利用开关电源技术，使用直流充电桩输入采用三相四线制交流电，通过整流升压等变换使得输出为电压电流宽范围可调的直流电，可以实现大功率快速充电，能够有效解决交流充电模式下公交车等大型客运车辆充电时间长的问题。但因其使用高压大电流的方式充电，为了提高其安全性使得直流充电桩研发制造成本较高，对电池使用寿命有较大影响，因此直流充电桩适用于公共交通领域与应急能源供给[5]。

  叶建红等[6]分析了纯电动汽车供能策略的５大决策要素，即城市电网运行特征，电池与充电技术，纯电动汽车交通功能定位，纯电动汽车节能减排效益以及土地资源约束等，综合各决策要素提出纯电动汽车供能须以夜间低谷充电为主、白天快速补电或与更换电池组为辅，并结合各类型交通方式特征提供组合型供能模式策略。对纯电动公交车来说，建设公交车换电站的成本过高，一般城市难以接受，因此应采用以“夜间低谷充电为主、白天快速补电为辅”的充电策略。

  廖涛[7]结合重庆公交的实际情况，研究了新能源公交车充电技术中的快充和慢充技术路线选择问题，基于公交企业的实际应用角度，分别从便利性、经济型及充电场地利用方面进行了分析。从便利性方面来看，快充方式可以达到2C-3C的充电倍率，1小时内可以为3台需要补电40kW·h的公交车充满电，而慢充方式的充电倍率只有0.5C-1C，补充同样的电量充电时间是快充的3-4倍，给公交线路的运营组织带来困难；从经济性上来看，配备快充电池的公交车相比于配备慢充电池的公交车可以减少配置的电量，可以节省电池购置费用，但快充公交车的电费成本要高于利用充分谷电价充电的慢充公交车的电费，综合测算，采用慢充电池的公交车更经济；从充电场站利用方面来看，快充纯电动公交车在充电设施和土地资源的利用上明显更加高效。采用快充新能源技术，桩车比可达1:6，而配置慢充电池的新能源公交车，桩车比通常只能是1:2，采用慢充技术路线，对充电场地和设备数量的要求都更高，在场地和设备设施的利用上，快充式新能源车更具优势[7]。

  在计算充电桩配置数量方面，张帝等[8]基于深圳实际运营数据，对电动出租车的行为特性进行分析，划分了两个不同的时段，利用排队论原理分别建立了两种电动出租车充电站服务系统的数学模型。等待制排队模型要求车辆在充电站必须等待直到充电完成才能离开，适用于某片区域中只有一个充电站或者各充电站严格独立的情况。混合制排队模型下，当充电站系统中电动出租车的数量超过一定值时，接下来驶进的电动出租车就会离开，寻找其他地方充电，车辆在充电站必须等待直到充电完成才能离开，适用于某片区域中有多个充电站的情况。电动公交车的充电策略与出租的充电策略类似，可以参照上述模型进行充电桩数量计算，即当公交充电桩建设不足时，一般适用于等待制排队模型；当公交充电桩建设较为充足时，适用于混合制排队模型，根据不同场景，在获得公交车到达间隔和充电时长规律的条件下，可以利用文中建立的模型求出充电桩数量合理的范围，进一步可以得出充电桩最优的配置数量。

  从电网供电效率方面来看，如果大量纯电动公交车在白天用电高峰期充电，势必会造成严重的电力高峰紧缺与低谷过剩，政府也不得不投入更多资金解决电力负荷问题。相反，如果纯电动公交车在夜间低谷时段充电，不仅可以降低充电成本（峰谷电价仅为高峰的30%左右），又可对电网运营起到削峰填谷作用，有利于提高电网及电力设备的供电效率，降低需求侧用电成本[6]。因此，纯电动公交车应采用“以夜间峰谷充电为主、白天补电为辅”的充电策略。

  从充电设施建设的现实条件来看，在城市步入存量发展、城市更新、严格划定“三区三线”控制城市建设用地面积的宏观背景下，城市建设用地寸土寸金，公交场站的数量及面积受到严格限制，按传统加油站思路大规模建设大面积的公交充电站或电池更换站已不太可能，土地资源约束决定了城市公交充电站集约高效利用土地资源，场站建设必须是立体化发展，基于群充群控技术根据车位配置1：1的充电终端，对于无法立体化发展的公交场站，采用快充技术，提高公交车辆的充电效率成为必由之路。

  从公交车辆的运营组织调度方面来看，根据相关调查，全国31个省(区、市)公共汽电车单车日均运营里程约为150km[9]，以10.5米纯电动公交车配置140kW·h 的电池容量，车辆充电时最低剩余电量为20%、耗电量为1 kW·h/km计算，夜间公交车辆充满电可以运行112公里，约占车辆全天运行里程的75%，剩余25%的充电需求可以在白天运营的间隙快速补电，这样即充分的利用的夜间的低电价节省了充电费用，又满足了线路的运营组织需要。

  在公交车辆电动化的宏观背景下，公交场站最核心的功能便是车辆的能源补给及夜间停放，而满足车辆能源补给需求最核心的装备是公交充电桩，公交充电桩数量和规模既关系到公交场站建设的方案、又影响场站建设的整体投资数量，还与公交车辆能享受到的充电服务质量相关。公交场站充电桩的合理数量取决于为公交车辆的充电时间、公交车数量、车辆允许的最长充电时间及场站的规模面积等因素，结合真实的情况，合理确定公交场站的充电桩数量对公交场站功能的正常发挥至关重要。

  [1]全拓数据. 新能源汽车发展的新趋势持续加快，国内的充电桩产业发展如何？[Z]. 杭州全拓科技有限公司官方帐号. 2021

  [2]中商情报网. 2021年中国充电桩行业市场现状及发展的新趋势预测分析 [Z]. 中商情报网官方账号. 2021

  [9]中华人民共和国交通运输部. 中国城市客运发展报告 [R]. 北京, 2016.