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环保节能混合电动城市公交客车可行性研究报告
目录
、资金筹措
:.
混合电动公交客车是一种集纯电动车、内燃机车的技术和优势
于一体的混合动力电动汽车。车辆废气排放达到和超过欧洲-V标
准,目标是达到欧洲-IV标准,符合国际最严格的环保法规要求。
与同型号普通燃油公车相比,可以降低燃油消耗40%,具有较好的
经济性;克服了纯电动车续驶里程短的缺点,续驶里程可以达到600
公里,完全满足了城市公交的需要,可以实现特定的市区内零排放
目标。同时,克服了纯电动车由于蓄电池的过放电造成的蓄电池寿
命缩短、性能下降问题。具有低排放、低油耗、低噪音和高经济性
和高环保性的优点,是一种新型绿色环保城市公交客车,特别适合
大中城市使用,具有广阔的市场前景和发展空间。
二、发明人情况简介
专案发明人王春富先生具有多年电动车研究开发经验,现为中
国电动车专委会委员。早在访美期间就已经开始了电动车的研究,
在混合动力电动车领域,共获得18项发明专利。1999年,利用自
有专利技术,开发并生产了中国第一辆混合动力中型客车和中国第
一辆混合动力大型客车,也是中国第一辆通过了科技部有关专家鉴
定的混合动力电动汽车,并成功的在美国上市的国内第一个环保专
案。有力推动了混合动力电动汽车在国内的研究开发,为尽快使混
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合动力电动城市公交客车产业化打下良以好基础。
三、技术团队
本环保汽车研发团队,的技术指导有世界电动车协会主席、中
国工程院,院士香港大学陈清泉院士。北京理工大学孙逢春、孙立
清教授,清华大学齐国光、马帆华教授。天津十八所、及美国、新
加坡、香港的团队。
专案工程师周恒毕业于吉林工业大学汽车拖拉机专业,有多年
汽车设计制造、机械设计与传动、塑胶零部件设计及模具经验,主
持和参与了多个大型专案的研发,有丰富的专业工作经验。
专案工程师韩丙乾先生毕业于洛阳工学院汽车拖拉机专业,先
后在多家汽车厂从事汽车研究开发工作,具有丰富的技术与管理经
验。
专案工程师蒋龙先生毕业于新加坡理工学院汽,先后在多家研
究所从事汽车电子控制研究、开发工作,具有丰富的技术与管理经
验。
公司从事混合动力电动汽车研究开发的技术人员有十一名,全
部为本科以上学历,具有多年从事客车、电机电控、电池技术管理、
研究经验的高级工程师和专家。
北京博大电池有限公司是我公司的紧密合作单位,在动力电池
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的研究方面,特别是电池的管理、控制系统方面,双方共同投入资
金,成果共用。博大电池有限公司拥有国内第一家电池行业企业博
士后工作站,目前共有13位电化学领域的博士从事动力电池的研
究开发。
1、混合电动城市公交客车的环保、经济效益
概述:
应全球对能源及环境的日益关注和重视,世界各大汽车厂家及
科研机构先后开发研制各种不同的纯电车(ElectricVehicles)及
混合电动车(HybridElectricVehicles)。中国政府也开始积极支
持发展Hybrid电动车,把它列入国家“十五”十二大重大科技专
案和“863”计划中的重点科技产业化专案,希望改变中国传统汽
水准,藉此改善各大城市的空气品质,增强国际形象。电动车的推
广使用,最主要目的是要改善城市空气污染,节约能源,提高人们
生活环境。由于电动车的种类不同,因而相应的环保经济效益亦有
所区别,下面简单分述如下:对于我国城市机动交通的可持续发
展、我国汽车产业的可持续发展,新汽车产业发展政策密切关注,
并有明确规定,“2010年前,乘用车新车平均油耗比2003年降低
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15%以上”,“国家引导和鼓励发展节能环保型小排量汽车”,
“支持研究开发醇燃料、天然气、混合燃料、氢燃料等新型车用燃
料,鼓励汽车生产企业开发生产新型燃料汽车”。不过,节能环
保型小排量汽车,在我国不少地方遭到不公平待遇,而油耗大的大
排量轿车,大中城市里十分畅行无阻,一些地方的“放大抓小”,
与新汽车产业发展政策很不协调;鉴于我国小汽车欧洲Ⅲ号排放标
准正在制定中,车用油品质量问题尚未解决,致使达到欧Ⅲ尾气排
放标准的乘用车生产企业也暂享受不到减征消费税的优惠;我国人
大通过的燃油税法规,也迟迟未能付诸施行。
纯电动车
纯电动车的发展历史最久,也是目前在技术上最成熟的一种。
最大的优点是可以真正做到零排放,最大的问题是电池寿命短及每
次充电后行驶里程少,每次停车充电时间长,需增加路边充电站、
基础设备投资很大。电池的损耗费用占很大比例。基于这些原因,
纯电动车仅适用于一些每天行驶里程不超过100km的政府机关或邮
政等以及家庭轿车用户,相对来说目前市场较小。
燃料电池车
燃料电池车在全世界范围内已全面展开研究和开发。其环保性
是燃油车辆的最好取代品,因为燃料电池车在运行时的副产品只是
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水,完全是零污染。料电池车将大行其道,但目前燃料电池车的关
键技术还处于实用前的科研攻关阶段,核心部分的技术和生产掌握
在国外几个汽车巨头手中,成本高。相信20年后燃料电池车将大
行其道。
混合动力电动车
混合动力电动车实质上是一个在电池的能量密度和功率密度
以及燃料电池等技术方面取得突破前的折中的方案,它的出现是为
了解决纯电动车存在的技术性问题。在目前燃料电池技术尚未成熟
之际,可以说是一个比较好的方案。一般而言,人们会以为Hybrid
电动车就是纯电动车上增加一台发动机而巳,自然会同样地产生排
放,因此有些人对此不甚乐观。但是我们在研发的混合动力电动车
探取了一系列专有最新技术,它控制发动机在最低燃油消耗点或最
低排放点的范围内运行,克服了城市公交客车在城市工况下长时间
处于低速、低负荷、频繁停靠站的怠速等工况下燃油消耗率上升、
排放恶化的状况。
混合动力电动车在城市环保效益中取得明显的效果是:
1).控制发动机在最低油耗点或最低排放点范围内运转,令排
放可以达到欧洲Ⅳ和欧洲Ⅴ标准。
2).燃油消耗率在城市工况下比普通燃油客车降低40%以上,
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12米城市公交大巴平均每天行驶600km,一台传统柴油客车每百公
里油耗45升,而採用油、电或气、电混合行驶,每百公里油耗可
以节省18升,每天可以节省燃油108升,每天可以节省燃油费用
379元,一年下来可以节省燃油费用379×300=。
这一点是混合电动车的最大经济优势。
3)在使用同样的燃料和发动机时,混合动力电动车的排放要低
得多,如选用欧III标准的发动机,可达到欧V的排放标准;原因
是发动机功率小得多,又工作在最佳工况,此时发动机的排放最低
和效率最高。
4)由于采用了电机制动、能量回收到蓄电池中,在提高燃油经
济性的同时,提高了车辆行驶平顺性和舒适性,减少了公车中最常
见的离合器和制动器的维修更换,节约了维修维护时间。仅在零部
件的更换上,每年可以节约零部件成本3万元以上。
5)由于混合动力电动公交客车的动力电池工作在高效区内,克
服了纯电动车动力电池存在的过充过放电、造成的电池过早损坏和
寿命缩短问题,提高了车辆的续驶里程和降低了蓄电池的维护时
间。
6)高可靠性,无论是发动机或是电动机系统故障,车辆仍可以
依靠单独的动力系统继续行驶。
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7)在城市的某些路段,可以采用纯电动驱动方式,实现在城市
内的零排放,和低噪音。
8)由于整车选用了小功率的发动机,在混合动力驱动时,整车
的噪音大幅度降低。
混合动力电动车与普通城市公交客车的制造成本比较(12米
车型)
项目传统汽车(万元)混合电动汽车(万
元)
综合排放欧Ⅲ欧V以上
(大排量欧Ⅲ)(小排量欧Ⅲ)
(中央控制器)
总计(万元)
空气悬挂(选33
装)
可以从比较中看到,由于混合动力电动车采用了成熟的客车底
盘和车身,降低了车辆成本中占很大比重的发动机的成本,虽然增
加了电机、电控、动力蓄电池等成本,但整车的成本同同档次的车
相比,生产成本仅增加了1%,,考虑车辆
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的营运费用每年可以节省在11万元左右,综合车辆的环保优势,
混合动力电动车在中高档城市公交市场佔有很大优势。
2、国内、外电动车的发展现况
电动车发展至今在国外已有数十年的历史,而在国内亦有超过
八年的发展过程,但至今仍未能如燃油车一样被人们接受,最主要
的原因是其实用性和经济性与现实相差太远。燃油汽车已经历一个
世纪的发展和完善,几乎已达至完美的境界(如果不考虑其废气排
放的话),人们很自然地会将电动车与燃油汽车相比。早期开发生
产的主要是纯电动车,其行驶里程和电池寿命是失败的根本原因。
近两年来国内外电动车开发公司不约而同地认识到必需走混合电
动车这条路。在国外主要有美国、欧州及日本在这方面较有成效。
近来国内许多省份以及北京、上海、郑州、武汉、广州及深圳等主
要城市都把混合电动客车作为重点支持开发专案。国家的“863”
计划明确提出:以燃料电池车作为前沿攻关开发专案,以混合电动
车特别是混合电动公交客车作为市场化、产业化的基础发展。
3、混合电动城市公车的优势
公车是解决城市交通的主要工具,亦是构成市区空气污染的主
要原因。而即将面世的混合动力电动大巴,废气排放量可以达到欧
V或欧IV标准(视选用的燃油及发动机而不同),是在数年内逐步取
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代旧有公车的最佳选择;其主要优点如下:
1).混合动力电动大巴的外型和整车性能与普通燃油车没有大
的区别,操作方式亦完全一样,驾驶人员无需做特别训练。
2).混合动力电动大巴的废气排放可达到2008欧V标准,符
合最严格的环保要求。造成城市空气污染,公车是最主要的原因之
一。超低排放的新型Hybrid电动大巴面世之后,政府将会用行政
干预的手段来限制普通燃油车。目前北京市政府已计划大力推广新
型电动车,未来七年内将投资150亿美元来逐步改善城市交通污染。
3).新型混合动力电动大巴,燃油+电动的续驶里程超过600
公里,最高车速可达90km/hr及最大爬坡度达30%,完全可满足城
市交通运行要求。
4).由于采用了最新型的发动机和电脑操控的混合动力系统运
行模式,比普通燃油车可节省达40%以上的燃油。
5).由于电池的充放电量由电脑控制在73%--75%、60%--75%、
30%--75%三个工况内,同时使用了ECU系统来控制APU、驱动系统、
电池及空调系统的最佳功率分配,令电池的寿命大大提高,平均可
达30万公里或四年的使用寿命。
6).全新的设计方案,令Hybrid电动大巴对电池的依赖性减
至最低,即使在电池完全失效的情况下,满载及总重量达16吨的
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大巴,依然可以借助发动机动力行驶。
7).混合动力电动大巴的维修费用较普通燃油车少约三成。
8).在特别的环境下可以实现零排放及低噪音工作,完全停止
发动机工作,车辆仍可行驶30km的里程。
9).新型混合动力电动大巴的生产成本和销售价格与普通燃油
车基本相同,但由于使用寿命长、省油、卓越的低排放性能和极低
的运行费用,在当今环保要求越来越高的社会,具有极大的市场竞
争优势。
4、混合电动城市公车的关键技术
我们采用自有专利技术专利号为()
(2005201335121)开发的一种效率高出常规汽车80%,节能超过
40%
冷却式电动机/发电机,它採用零排放模式起步,当车速达到内然
机最好的工况时(发动机油耗最低、排放最低)自动起动发动机行
驶工作,并一边驱动车辆一边用富余的动力向畜电池、自行充电,
超低排放内燃机和电动机混合行驶。可省去基础充电设备,内燃机
可以单独直接驱动车辆行驶,电动机也可以单独直接驱动车辆行
驶,在城市公交工况下,由于控制柴油机运转转在最低燃油消耗点
范围,可以显著地降低有害气体的排放,提高燃油经济性25%以上,
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减速制动时能量回收可以提高燃油经济性15%,在市区起步达到零
排放环保标准。
1)我们拥有混合式电动汽车整车结构专利技术。它可组成为
汽油机和电动机混合驱动模式;柴油机和电动机混合驱动模式;
液化气和电动机混合驱动模式;天然气和电动机混合驱动模式;
2)我们拥有混合电动驱动系统的多能源控制技术。
3)我们拥有油冷和内部空冷电机冷却工艺技术。
4)我们拥有高性电池箱组合冷却系统技术。
5)我们拥有自动换档AMT变速箱技术。
6)我们拥有混合驱动功率协调控制VMS系统技术。
7)我们拥有电池能量BMS管理系统技术。
8)我们拥有电池电压DC/DC转换技术。
9)我们拥有车载高频充电器技术。
10)我们拥有交流变频驱动电机和驱动变频控制器技术。
混合动力电动车在结构上比普通燃油车及纯电动车复杂,从下
表可以了解其基本设备的配置:
项目普通燃油纯电动Hybrid电用途
车车动车
燃油发动机YES不需YES小功率高效柴油机
要
变速箱YES无级调YES提升输出扭力
速
驱动变频器不需要YESYES控制行驶速度
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驱动电机不需要YESYES驱动车辆动力
动力电池组不需要重型轻型储存/提供电能
APU发电机需要NOYES供给电能
VMS系统不需要NOYES控制APU及负责能量分
配
BMS系統不需要YESYES电池监测及保健
车载式充电不需要YESYES充电及交直流转换
机
DC/DC转换需要YESYES低压电器供电,12/24V
器电池充电
ECU稳压电不需要NOYES行车时给电池/电容充电
路
由上表可以看出来,混合动力电动车应用的主要电器设备,比
普通燃油车或纯电动车都要多,主要目的均是为了解决一个根本的
问题—电池组寿命过短,续驶里程短的弊端。
5、混合动力电动汽车设计说明
由于整车的设计上採用了一系列最新式的控制系统,电池的使
用寿命比一般电动车延长3倍。新型的混合电动大巴有以下特点:
■超低排放标准:用LPG燃料可达欧V标准,纯电动模式达到
零排放。
■显著的节油效果:平均比同排量、同吨位车可节油40%。
■可实现零排放运行:进入市区时可用纯电动行驶达30KM。
■高可靠性:无论是发动机故障或电池故障,车辆继续行驶。
■操作方便:我们设计的混合电动车在操作上同普通燃油车完
全一样,驾驶者不需任何特殊培训,也不需要停车对电池进行充电。
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■特长的电池寿命:对电动车来说,电池的寿命是最大的问
题。由于我们的设计中,同时应用了VMS(中央控制器)、BMS(电池
管理系统)、ECU(车辆管理系统),电池的重量减少了一半,可以保
证电池的寿命超过30万公里,而且日常运作中不需要对电池维护。
■特低的运行费用:由于低的耗油率及维修费用,平均每年的
运行费用比同类公交可节省燃油达40%(参阅12米Hybrid巴士经济
效益分析表)。
■舒适的乘坐环境:整车底盘採用进口空气避震,商务型座椅
设计,宽畅舒适。
6、ECU(EnergyControlUnit)能源控制系统
ECU系统是混合动力电动车中极为关键和复杂的控制部件,它
们成功与否与整车的运作性能特别是运作费用影响非常大。目前面
世的电动车绝大多数都没有该系统,因此实际上都停留在样车试制
阶段,无法发展成产业化大批量生产。我们设计的ECU系统是在BMS
及VMS系统的基础上发展起来的,系统并非针对某特定的车型设
计,我们的设计目的是要能应用于任何Hybrid电动车。ECU系统不
仅极大地提高了Hybrid电动车的运行性能,更将电池组的寿命延
长达数倍以上。全新的ECU系统的设计及工作原理与以往的BMS有
很大的区别,现就ECU的功能分述如下:
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1).提高混合电动车的运行性能
电动车运行的成本和可靠性取决于电池组,事实上现在各电池
生产厂家提供的充放电寿命资料是有条件的:单个12V电池在
DOD80%放电率的情况下,寿命仅500-1200次(视电池种类而定)。
由于厂家容许电池性能有15--20%的误差,因此多组电池串联后的
寿命是远低于上述值的。电动车使用的电池有26个12V单体,电
池组串联后的寿命,将明显低于出厂指标,因此採用ECU系统来消
除每个电池的容量误差是非常必要的。使用该系统后容许电池容量
偏差值达33%时电池组仍可正常工作。
2).ECU系统将电池组的运行成本降至最低
电池组的运行成本占到较高比例,导致纯电动车的营运成本比
普通燃油车高。因此是否能大幅度地延长电池寿命,是开发和生产
电动车的成功关键。
我们通过反复试验,发现了电池组在充放电中对寿命影响最大
的区域,因此EMS系统在实际工作中,会综合行车资料(即当时电
动车消耗的电力)、电池的实际储电量等资料,来控制APU(发电机)
的输出功率,而令电池工作在最佳高效区内。按最保守的计算,每
一组电池可以行驶达30万公里,因此最终的结果,完全可以令混
合动力电车的运行成本比普通燃油车更低。
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3).ECU将电车控制系统
混合动力电车上应用的电子设备较多,因此不仅会增加生产成
本,同时亦需要较多的安全空间。一辆Hybrid电动车,除基本的
驱动电机和驱动变频器外,我们还需要以下电子设备:
VMS(中央控制器):功能是协调控制APU、电池、驱动电机三者
之间的功率分配。
BMS电池管理系统:分成独立26路控制电池的充放电和监测电
池的工作性能参数。
车载式充电机:功率达30kw,全自动控制APU对电池进行充电。
超级电容控制电路:此电路的功能是延长电池使用寿命的关键,
因为该电路可令流经电池的电流值减少70%。
DC/DC转换器:输出27V/45A直流电源供整车低压电源及空调
风扇电源。,供控制电路及音影设备的低压电
源。
电量/电流表:显示主电池组剩余电量及整车工作电流之用。
4).全新的控制方式/混合动力电动车的控制策略
电动车控制系统部件的设计,主要是以提高效率、降低运行成
本和提高可靠性为主要考虑因素,因此在软体和硬体的设计上均力
求简洁,这对日后的维修保养极为重要。在实现了主要的功能控制
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时,我们要求电动车在操作和维护方面与普通燃油车无异,这一点
对电动车的成功很重要。我们的总体设计思想和控制策略是基于在
有限的能源条件下,充分考虑到整车的动力性能、电池特性、运行
成本、整车重量因素甚至市场因素,因此我们在设计中力求儘量简
化。
7、设计的关键问题
环保公交大巴车要在国内推广,必须符合以下几个最基本的条
件:
,销售价必须控制在￥80万内。
,能在1-2年内将成本回收。
,维护费用低
为了达到上述要求,我们研究了大量资料,得出的结论是:在
国内使用的Hybrid电动车,才有可能满足上述要求。电动车的发
展史几乎和内燃机一样长,但在此之前不能普及的根本原因,就是
电池虽经过100年左右的改进,限于其基本原理不能有突破性的发
展,至今为止,蓄电池的能量密度和功率密度仍不能满足车辆要
求。另一方面,内燃机的性能则得到极大的改善,相比之下,电动
车在技术性能上远远落后于内燃机车辆。
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电动车的运行中,更换电池的费用是非常大的。电池在使用过
程中维护的麻烦,也不是所有的用户都可以接受的。但最重要的
是,电池的性能没有可能在短期内得到突破性发展,对电池的研究
和开发工作也不是我们力所能及的,如果一定要纠缠在电池的问题
上,电动车的专案是很难成功的。因此我们将研究的重点方向转
移,在新型的Hybrid电动车上,由于採用了混合动力驱动模式,
减轻了电池的重量,极大的延长了电池的寿命,使其寿命达到30
万公里以上。免除了繁复的维护和更换工作。
对电动车来说,目前存在的最大问题依然是电池的使用寿命。
超级电容的贮能量平均为电池十分之一,从资料上来分析是不可能
代替电池的,但如果运用在作为混合动力电动公车上,用来辅助铅
酸蓄电池工作,可以有非常好的效果,
如果采用铅酸蓄电池+超级电容的方案,最适宜用做双层巴士
及超低底盘公车,可以大幅度减小蓄电池容量,提高制动能量回收
效率。
贮能方案的确定:
比较上面各种贮能方案,我们最后确定选用GP生产的60AH大
电流充放电镍氢电池,最高可用10C的电量充放电,电池组的体积
和重量仅为常规设计的一半。为了提高电池的使用寿命,特别是为
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了保证电池在使用后期性能下降后,仍能满足车辆加速性能,我们
在设计上最大充放电为5C。由于使用了ECU超级能源控制系统,电
池组的使用寿命在无需维护的情况下,可达三年或保证行驶逾30
万公里!
最新设计的ECU採用了高可靠性的控制概念,这种控制方式与
我们即将开发的水冷式变频器配合使用,可以令电车的可靠性大为
提高。在极端的情况下,全新方案设计的混合动力电车仍然可以按
以下模式运行:
驱动电机技术
●加大电动汽车电机研发力度。改进电机的结构设计、电磁
设计和散热系统设计,以及控制器的电磁相容设计;进一步提高电
机的比功率、效率,降低噪音和温升,加强耐久性和可靠性研究;
解决开关磁阻驱动电机力矩波动、永磁驱动电机去磁和力矩波动等
问题,提高电流线性度和超载能力。
●加强客车用电机及其控制系统的性能优化及其与整车的匹
配,并重视可靠性研究。
●在轿车用电机及其控制系统研发中要综合考虑体积、重
量、功率、温升、工作环境、材料与工艺结构等方面的较高要求,
提高峰值功率,儘快使性能达到整车要求。
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●在驱动电机研发中要充分考虑工程化、产品化需要,加强
电机与控制器、整车课题单位之间的合作,提高配套制造能力。
(或燃油耗尽时),电池组提供的能量可以维
持继续行驶30km以上,足够返回维修基地。
(实际上由于有ECU系统的作用,电
池组突发性故障的可能性非常低),ECU会协调控制驱动电机的输出
电力,令电动车可以维持达50km/hr以下的速度继续行驶。
由原理图可见,ECU主要是从主电池组取得剩餘电量资料,再按
照即定的方案来控制APU的输出功率及驱动电机的输出功率。
控制項目车匙位置说明
ACCONSTAR
电池监测电路ONON
驱动电机变频ON需经STAR后接通
器
空调电机变频ON同时受ECU系統
器电量控
辅助变频器ON需经TAR后接通
空气压缩机同时受压力开关
控制
方向机油泵ON同时受行车方向
控制
DC/DC转换器ON
车灯系/低压电ON
器
电池均流电路ON同时受ECU检测
压差控制
APU的控制
APU的工作状态取决于电池的电量。在ECU系统中,我们将电
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池的的剩餘电量取4个动作点,分别是35%、40%、80%及85%,至
于取这几个点的原因是我们综合了大量的电池资料及使用经验而
定;这里不做详细解释。
电池电量及功率输出控制比例表
电池电量及功率输出控制比例表
电池组剩余电APU的输出功率驱动电机功率输空調電机的工况
量%
85OFFOFF100%ON
8025%OFF100%ON
7550%50%100%ON
7075%100%100%ON
60100%100%75%ON
35100%100%50%OFF
ECU中的放电电流均衡电路---真正的BMS管理系统
对于电池管理系统来说,监控的作用远不如直接在车辆运行
中,即时对容量小的电池补充电来得有效。如果能实现1C的均衡
补充电流,电池组的容量偏差值便可容许达35%以上,这样的结果
是大大减少了电池的维修工作,整体电池使用寿命可提高达50%以
上。
在我们的设计中,採用了1C的补充电流,电路的工作原理是
当ECU检测到在放电状态中,任何比最高电压单体(12V电池)相差
约10%的电压时,即起动相对应的均压补充电路工作。系统中一共
有40个相等输出电压的均流电路,每一路输出最大电流可达45A。
与之相连的任何电池低于平均值电压10%时即有持续45A的电流输
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入补充,电压越低的电池得到的补充电量越多,这样就达到了均流
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