锂离子动力电池电动客车运行可行性及技术经济性分析.docx
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锂离子动力电池电动客车运行可行性及技术经济性分析
内部资料，会后收回
锂离子电池电动客车运行可行性与技术经济性
研究报告
研究单位：
北京理工大学
2008年月
在电动汽车使用以及将来的商业化与产业化发展过程中，电动汽车的技术特征与经济性等内部因素起着决定性的作用。
为积累电动汽车运行的经验，检验锂离子电池电动客车奥运运行的可行性，课题组模拟奥运中心区通勤车辆运行模式，开展了北京市121路公交车线路示范运行工作（其中部分锂离子电动客车采用快速更换电池方式运行）和北京理工大学班车示范运行，进行了相关的技术经济性分析。
自2007年3月至2008年7月，121路锂离子电池电动客车陆续投入14辆进行示范运行，累计运行21万余公里，北京理工大学电动旅游班车陆续投入4辆进行示范运行，累计运行7.7万余公里，积累了大量的运行数据和经验，为锂离子电池电动客车奥运期间的运行打下来良好的基础。
1电动汽车的技术特征
1.1电动汽车概述
电动汽车是全部或部分由电能驱动电机作为动力系统的汽车，按照目前技术的发展方向或者车辆驱动原理，可以划分为纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车三种类型。
⑴纯电动汽车
纯电动汽车是完全由二次电池（如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或锂离子电池）提供动力的汽车。
纯电动汽车被认为是电动汽车发挥作用的技术基础和未来。
现在纯电池技术发展已经相当成熟，国外发达国家和我国都进行了小批量生产。
然而，纯电池电动汽车的缺点也较为突出，如：
能量低、质量大、充电时间长、成本高、折旧快，还容易对环境造成二次污染等。
因而，纯电动汽车在应用方面受到一定的限制。
但是，纯电动汽车完全消除了车辆在运行中的废气排放，完全使用二次能源——电能使其更符合能源持续利用战略，因而随着技术水平的进步，纯电动汽车具有较为广阔的发展前景。
⑵混合动力汽车
混合动力汽车是在纯电动汽车开发过程中为有利于市场化而产生的一种新车型。
其车载动力源有多种：
蓄电池、燃料电池、太阳能电池、内燃机车的发电机组等。
目前，混合动力汽车一般是指在一辆汽车中同时采用了电动机和内燃机，再加上蓄电池的电动汽车。
它采用内燃机和电动机两种动力，将现有内燃机与一定容量的储能器件结合，如：
高性能电池或超级电容器，通过先进控制系统相结合，提供车辆行驶所需要的动力。
与纯电动汽车相比，混合动力汽车的主要特点在于：
Ø采用复合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的输出功率，使内燃机以油耗低、污染少的最优工况进行工作。
当车辆需要大功率，而内燃机输出功率不足时，由车载电池来进行补充；当车辆负荷减少时，富余的功率可发电给电池充电。
由于内燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽车一样。
Ø因为有了车载电池，可以十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的剩余能量，提高能量的利用效率。
Ø在繁华市区，可关停内燃机，由电池单独驱动，实现“零”排放。
Ø有了内燃机可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。
Ø可以利用现有的加油站加油，不必再投资新建基础设施。
Ø可让电池保持在良好的工作状态，不发生过充、过放，延长其使用寿命。
因为其具有投资少、选择余地大、易于满足未来排放标准和节能目标、市场接受度高的特点，从而引起各大汽车公司的关注。
但是，混合动力汽车没有从根本上摆脱交通运输对石油资源的耗用问题，同时，在以内燃机为主提供动力时，无法有效降低车辆的环境影响。
因此，从技术角度分析，混合动力汽车是电动汽车发展过程中一段时期内的一种过渡性技术。
⑶燃料电池电动汽车
燃料电池汽车，即以燃料电池作为动力系统的汽车。
燃料电池是一种能与燃油发动机相比的电池，可以使用包括再生燃料在内的所有含氢元素的燃料。
燃料电池车的工作原理是：
作为燃料的氢在汽车搭载的燃料电池中，与大气中的氧发生化学反应，从而产生电能启动电动机，进而驱动汽车行驶。
由于大量的纯氢难以贮存在汽车上，而且加氢站也没有那么多，因此，汽车制造商们正试图使用汽油或甲醇，同时在汽车上安装燃料重整装置，以便从这些物质里提取氢。
但这将会产生极少的二氧化碳和氮氧化物，总的来说，这类化学反应除了电能，就只产生水，因此，燃料电池车被称为“真正的环保车”。
从调整能源结构角度，燃料电池汽车被认为是汽车技术发展的最终解决方案。
燃料电池作为电动汽车的动力来源，其特点主要表现在：
Ø能量转化效率高。
燃料电池的能量转换效率可高达60～80%，为内燃机的2～3倍。
Ø不污染环境。
燃料电池的燃料是氢和氧，生成物是清洁的水，它本身工作不产生CO和CO2，也没有硫和微粒排出，没有高温反应，也不产生NOx。
如果使用车载的甲醇重整催化器供给氢气，仅会产生微量的CO和较少的CO2。
Ø寿命长。
燃料电池本身工作没有噪声，没有运动性，没有振动，其电极仅作为化学反应的场所和导电的通道，本身不参与化学反应，没有损耗，寿命长。
现阶段，燃料电池的许多关键技术还处于研发试验阶段，此外，燃料电池的理想燃料——氢，在制备、供应、储运等方面距离实现产业化，还有着大量的技术与经济问题有待解决。
1.2电动汽车性能对比
面对工业化和城市化带来的日趋严重的环境污染及对稀缺资源的过度消耗，寻求社会、经济资源、环境的相互促进与协调发展已成为世界性潮流。
以平衡利用多种形式的能源资源，降低汽车尾气排放污染为目的的电动汽车开发得到了世界上许多国家政府和著名汽车制造厂商的高度重视。
在电动汽车的发展过程中，政府以及众多的汽车生产厂商对各类电动汽车的性能与特征进行了大量的研究，以确定合理的发展对策。
从实用化的角度看，最有可能实现大规模应用的是混合动力汽车和纯电动汽车。
混合动力汽车相比较燃油汽车在环境性能上有了很大提升，但是，混合动力汽车还是不能完全摆脱对石油资源的耗用，因此混合动力汽车仅能作为一种过渡性的产品。
从环境性能和社会效应来说，纯电动汽车是理想的车型，但受目前技术水平的制约（主要体现在电池性能、充电设施普及以及车辆成本等方面），限制了电动汽车的大范围推广，如果能弥补以上技术上的不足，通过优先发展电动客车等适合纯电动汽车应用的领域，电动汽车将获得更大范围的普及。
表1电动汽车的性能对比
比较
项目
混合动力汽车
纯电动汽车
发展
概况
两种以上的动力系统混合进行驱动，具备了两种不同动力系统的性能优点，而且在燃料经济性和排放上具备了良好的性能。
电能驱动所占比重有着上升的趋势。
采用蓄电池中的电能驱动电机进而驱动车辆行驶，随着镍氢电池和锂离子电池等新型动力电池的采用，一次充电续驶里程有所延长，可靠性提高。
行驶
性能
行驶性能与传统车辆比较至少相同或更好。
行驶性能基本达到了传统车辆的水平。
续驶里程
续驶里程较传统车辆更长；
120～250公里；
环境性能
CO2
排放量
由于车型的不同，CO2排放量只有汽油车的1/2，CO2排放量减低效果明显。
行驶时CO2的排放为零；考虑发电时的排出物污染，相当于柴油车的10%。
NOX排放量和SPM
与传统柴油机对比NOX排放量至少减少10%；
行驶中的SPM非常少。
行驶时NOX的排放为零；考虑发电时的排出物污染，相当于汽油车的40～50%。
成本
基本价格
同传统车辆相比价格应低于1.5倍。
同传统车辆相比价格为1.5～2.5倍（含电池）。
运行费用
燃料效应是传统汽油车的2倍；
电池更换的年限周期应保证在3-7年以上。
燃料费用一般为汽油车的1/3；
电池更换的年限周期少于5年。
车辆应用类型
乘用车已完成了商品化销售，完善品种；
大型车实现商品化销售。
乘用车和小型货车的商品化。
配套基础设施
汽油和甲醇改质方式、车加油或加气，完全可以利用现有的加油站（加气站）网络或稍加改造就可运营。
包括专用充电机、专用充电站和通用充电机及公共场所用充电站及充电站监控网络等。
完全依靠新建，初期的基础建设成本很高。
主要技术难点
混合动力汽车的技术难点在于降低维修保养费用、提高电池性能。
蓄电池的性能及使用寿命；
电机及控制系统；
高效充电系统。
主要研发方向
提高电池性能；
降低车辆价格；
提高制动能量回收系统效率。
提高电池性能、降低价格；
充电基础设施建设。
1.3电动汽车的推广优势
传统内燃机汽车在使用过程中产生了有害尾气及噪声污染等，同时车辆使用加速了石油这一不可再生资源的过度消耗，不利于社会经济的可持续发展。
相反，电动汽车在不同程度上改善了这些问题，与燃油汽车相比其优势主要体现在以下三个方面。
⑴降低尾气排放及噪声污染，有效改善环境质量
Ø降低尾气排放
汽车产生的污染主要包括有害尾气、噪声以及扬起的尘土，其中，危害最大的是废气。
在城市大气污染中，汽车尾气已成为最大的污染源之一。
根据有关分析，汽车尾气中各种气体成分约有1000多种，其中对人体健康危害最大的是一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物等。
这些有害物质能够引起人们的呼吸道疾病、生理机能障碍，甚至导致癌症。
而电动汽车以蓄电池的电能为动力，在行使时几乎没有废气排出，比燃油汽车减少92%～98%，是最被看好的“零污染”汽车，因而电动汽车的使用为解决环境污染提供了一条新的途径。
Ø减少噪音污染
与燃油相比较电动汽车系统只有少量的电磁噪声和机械噪声，通常其噪声比同类型燃油车辆低10～15dB。
表2比较了燃油汽车和电动汽车在不同车速下的噪声情况。
表2燃油汽车和电动汽车在不同车速下的噪声单位：
dB
噪声
燃油汽车车内
车外
电动汽车车内
车外
匀速
35（3速）
73
67
67
66
30（4速）
70
69
70
66
加速
35（3速）
81
75
72
66
30（4速）
76
72
71
66
数据来源：
北京电动公交车运行试验
从表中数据可以看出推广使用电动汽车是降低噪声污染的有效途径。
⑵有利于调整和改善能源消耗结构
电动汽车以电能为动力，电能的来源多种多样，既可以利用煤炭、石油、天然气等矿物资源，也可以产生于水力、风力、潮汐、地热以及核能，因此能够节约相对稀缺的石油资源。
地质专家估计，以目前的开采速度，全球已探明石油储量将在几十年内耗尽。
在我国，石油更被列为短缺矿产资源的首位。
实行能源多样化政策，降低对石油的依赖和消耗量，已成为许多国家的共识。
据估计，汽车用油占到目前世界石油消费总量的40%，在我国，2006年的石油消耗量为3.46亿吨（进口1.62亿吨），其中汽车消耗了90%的汽油和20%的柴油，如果能大幅度降低汽车这一“用油大户”的耗油量，无疑为实现能源的持续利用开辟了一个广阔的空间。
从实行能源利用多样化的角度来说，电动汽车将是一个很好的选择。
在我国能源结构中，煤炭所占比重高达70%以上，而石油不足20%；因此，发展电动汽车更是大有前途。
⑶有利于提高能源利用效率
电动汽车的能量利用效率要比内燃机发动机汽车高。
配备先进车辆控制系统的电动汽车在交通堵塞时发动机不需要怠速运转，瞬态不耗能；制动时电动机可以起到发电机的作用，也就是说能把汽车动能转化成电能储存进蓄电池。
另外，有研究表明，等量的原油经过粗炼送到电厂发电，再充入电池，驱动电动机带动汽车的能量利用效率，要比精炼成汽油后，经过运输、加油，再经汽油机驱动汽车高八个百分点。
表3燃油汽车和电动车的油能源综合使用效率
类型
效率
燃油汽车
电动汽车
油炼制效率
87%
94%
运输效率
95%
--
车辆效率
14%
--
发电效率
--
38%
输电效率
--
94%
充电机效率
--
92%
充放电效率
--
76%
电动机、发动机效率
15%（匀速）、12%（加速）
70%（匀速）、80%（加速）
综合效率
12%
20.8%
数据来源：
北京市清洁汽车试点示范工程数据
总之，电动汽车具有无（低）排放污染、噪声低、易于操纵、维修及运行成本低等优点，在环保和节能上具有不可比拟的优势，它是解决人类能源和环境压力的最有效途径。
2锂离子电池电动客车技术性分析
2.1电动公交客车试运行工况统计分析
2.1.1试运行路况具体情况
⑴路线：
北京公交路线121；
⑵地理区间：
西黄庄——阜成门，（区间：
定慧寺——阜成门）；
⑶路线图：
西黄庄——南坞——东冉村——小煤厂——金庄——营慧寺——五孔桥——定慧桥——定慧寺——西钓鱼台——八里庄——西三环——马神庙——白堆子——甘家口——阜外西口——展览路——阜成门；
⑷地势：
沿途最大坡度为3.5%；
⑸站与站的平均距离：
740m；
⑹总长度：
25.4km，13.2km（区间）；
⑺车场位置：
两端终点分别为西黄庄和阜成门，车场距线路首末站距离分别为200和500m。
⑻客运条件
每小时客运量：
高峰期为1300~1600人/小时；正常为800~900人/小时；
每日运营时间：
早5：
30~晚24：
00；
首站至末站行驶时间：
45~50min；
每辆车每日行驶时间：
单班为5圈，车队车辆一般每天行驶2班；
区间车单班行驶7圈
⑼交通路况
公交专线：
部分有；
两站的最多起停次数：
6～９次；
最大行驶速度；50km/h；
首末站的最短及最长等候时间：
最长6min，最短2min；
具体工况参数见表4所示
表4工况参数表
地里区间
总距离（Km）
全程停靠站数
站间平均距离（m）
车站停车时间（s）
西黄庄——阜成门
25.4
34
740
10-35
全程行驶时间（min）
红绿灯个数
红绿灯停车时间（s）
单班平均行驶里程
最高车速
45~50
8
0-60s
93km
55km/h
平均车速
车站平均停车时间
红绿灯平均停车时间
平均制动速度
平均加速度
21．6km/h
17．2S
19．3S
0．84m/s2
0．37m/s2
两站间最多
起停次数
沿途最大坡度
客运量
每日运营时间
公交专线
6~9
3.5%
高峰期1300~1600人/小时；正常为800~900人/小时
5：
30——24：
00
部分路段有
2.1.2工况统计分析
为对试验路况的典型性进行分析，并对以后的试验提供可靠的工况依据，以及为公共汽车及今后电动公共汽车车辆选型，运营方式确定及运营成本分析提供科学依据。
在试验的过程中，还对北京市的公交工况进行了统计分析。
2.1.2.1工况统计参数
为了评价车辆行驶工况及建立行驶工况模型，选择9个参数作为评价行驶工况的影响因素。
其中：
V1：
整个行驶工况的平均速度（km/h）；V2：
平均技术速度（不包含上下乘客，但包括遵循交通规则停车时间所计算的平均车速，km/h）；a：
所有加速模式的平均加速度（m/s2）；d：
所有减速模式的平均减速度（m/s2）；T：
行驶周期的平均时间长度（s）；Pi：
怠速模式的时间百分比；Pa：
加速模式的时间百分比；Pd：
减速模式的时间百分比；Pc：
匀速模式的时间百分比。
2.1.2.2工况调研方法
工况调研主体为在市区公交线路上行驶的公共汽车，测量与纪录装置为山东龙口产非接触车速仪（AM——2100）。
平均车速是工况模型中的最为重要的参数。
所选道路必须能够综合反映北京市市区公交道路的整体状况。
在行驶工况调查中主要采用按照所选的不同类型道路，在不同日期（工作日、休息日），不同时段（早、中、晚），逐条道路进行数据采集，调查时采取随车流按公交工况行驶和随机跟踪一辆行驶的公共汽车两种方式相结合。
试验时间选择在早5：
00到晚23：
00，包括上下班高峰的时间段。
2.1.2.3平均车速的统计分布规律
运用概率平均车速法对北京市多条公共汽车线路的平均车速进行统计分析，其统计结果的概率分布结果与对数正态分布相似。
和其均值、方差分别为：
将计算结果代入对数正态分布概率密度公式，得：
从图2可以看出，北京市超过90%公共汽车的平均车速集中在10～30km/h之间，且在13～22km/h的概率最大，此平均车速范围占据了总体分布的60%。
运用理论方法，可以证明理论与实际概率差绝对值的最大值为0.0204，在一定程度上体现了理论与实际的接近程度。
概率模型做到了对实际情况很好的近似，随着统计数据的增加，平均车速概率分布必将进一步逼近理论的对数正态分布概率模型。
2.1.2.4工况参数统计结果及分析
对多条典型公交路线分别检测8—12次。
通过对检测数据的统计分析，分别计算各条公交路线的上述9个参数，图3至图6分别表示了6条典型公共交通线路9个参数的统计情况及与其他国家已有行驶工况模型的比较。
与国外工况相比，北京市市区公共汽车统计参数总体表现出平均车速低，平均行驶周期短，怠速比例高，等速行驶比例小的状况，体现出北京市公共交通车辆加减速频繁，等速和准等速行驶时间短的特点。
2.1.3工况模型建立
获取行驶工况模型总的思路就是从已测量的大量实际行车数据中提炼出能反映实际行车特点的特征参数，获得行驶工况模型曲线。
按工况模型最终确定方式和主要用途的不同，可以把工况模型分为计算工况模型和统计工况模型。
两种工况模型均可以用于计算机模拟计算和试验台测试，但统计工况模型用于实际道路车辆测试有一定的难度。
每条路线最简单的工况模型应包括加速，匀速，减速，怠速4个阶段。
其中
，为车辆行驶时间比例。
在模型中采用一个环路典型行驶周期，两个市区一般道路典型行驶周期。
具体参数的引用在遵循客观统计结果的基础上为了便于实际操作进行了数据圆整。
行驶工况模型如图7所示，具体各段参数如表5。
模型中的平均车速和平均行驶周期与多条公交线路的统计对比结果如表6。
从表6中可以看出，模型参数与实测统计结果的偏差不大，误差率在10%以内。
所以行驶工况模型能够在一定程度上反映北京市市区公共交通的行驶状况。
表5行驶工况参数表
Ⅰ
速度（km/h）
时间（s）
加速度（m/s2）
Ⅱ
速度（km/h）
时间（s）
加速度（m/s2）
Ⅲ
速度（km/h）
时间（s）
加速度（m/s2）
0~17
13
0.363
0~22
17
0.359
0~31
17
0.506
17
20
0
22
15
0
31
78
0
17~0
7
-0.676
22~0
9
-0.679
31~0
12
-0.718
0
10
0
0
9
0
0
13
0
表6行驶工况模型与实测统计数据的比较
参数
V1，km/h
V2，km/h
T，s
a，m/s2
d，m/s2
实测统计数据
19．17
22.16
62.5
0.433
0.697
行驶工况模型
18.18
21.27
62.7
0.409
0.691
误差率
5.16%
4.02%
0.32%
5.54%
0.86%
2.2锂离子电池不一致性分析
2.2.1电池的不一致性特性分析
电池的不一致性是指同一规格，同一型号的电池电压、内阻、容量等方面参数的差别。
电压是不一致性最为直观，也是最容易测量的表现形式。
在不同放电深度下，测量电池组中单电池的电压，可以得到静态单电池不一致性数据。
图8显示了试验用电动大客车采用的锂离子电池组在不同放电情况下部分单电池电压的不一致情况。
从图中可以看出，电池电压不一致性在充满电时还表现不很明显，但经过一段行车后（浅放电阶段），不一致性有了一定的体现，在电池深放电（80%以上）时电池不一致性成为影响电动汽车行驶性能的重要因素。
在此情况下，出现个别电池端电压低于锂电池的最低工作电压，从而限制了其他电池的继续放电，形成木桶效应，从而使电动汽车的续驶里程受到影响。
图9是在电动公交车行驶过程中，测量锂离子电池系统中串联的两组电池电压的变化过程。
图的下部是行车过程中电池组电流的变化情况，上部对应是两组电池端电压的变化情况。
总体曲线表现特征与前述动力铅酸电池动态电压不一致性表现相似。
在大电流放电瞬时，两组电池电压差最大可达0.15V。
同样的锂离子电池组，测量两块并联电池单体在放电过程中的电流变化情况，结果如图10所示。
图的下部是放电过程中电池组端电压的变化，上部是测量相应两块电池电流的变化情况。
可以看出两块电池放电电流表现出一定的差别，最大电流差可达8A。
另外在图中还可以看出，电流差并不随电压的变化而呈现一定的比例关系。
在放电后期，锂离子单电池电压随放电电流的变化如图11所示，此曲线绘制为电动旅游客车BFC6110－EV行驶180km后，即电池已经进入放电后期。
从图中也同样可以看出在动态情况下，电池电压不一致性的变化。
在曲线记录初期，电池间电压差小于0.02V，但随放电过程的进行，电压差迅速增加，在动态情况下，扩大到0.5V。
同样说明，电池放电后期，容量较低电池电压衰减迅速，若不能及时发现并停止对电池继续放电，将对电池造成不可逆性损害。
2.2.2电池不一致性形成原因分析
蓄电池不一致性产生的原因有两个方面：
一是在制造过程中工艺上的问题和材质的不均匀；二是在装车使用后电池组中各个电池的电解液密度、温度和通风条件、自放电程度及充放电过程等差别的影响。
根据使用中电池组不一致性扩大的原因和对电池组性能影响方式，可以把电池的不一致性分为容量不一致、电阻不一致和电压不一致。
电池容量不一致：
主要是由于木桶效应而影响整个电池组充放电容量，从而降低电动汽车的续驶里程。
电阻不一致：
造成串连组中各单体充电时温升不一致和充电电压不一致，从而影响到充电安全和充入的容量，造成并连组中各电池充放电电流不一致，影响整个电池组的可用容量。
电压不一致：
造成并连组中电池的互充电
另外以上三种不一致都造成电池的充放电效率降低，影响了电动汽车的续驶里程和电池的使用寿命。
2.2.3电池组一致性发展规律统计分析
随着使用时间和行驶里程的增加，电池的不一致将进入恶性循环。
最直观反映为运行一段时间后单电池电压不一致性增加。
在电动汽车运行试验中运用统计学理论对电池电压不一致性发展规律进行了分析。
以锂离子电池组为例，统计纪录每天充电后静置10小时的单电池电压值。
以月为单位，统计每个月中旬各个电压值段占总体的比例。
统计过程中，以柱状图表示各个电压分段在电池组中出现的概率。
统计的典型结果如图12所示。
从中可以看出，最初电压在4.15～4.16V出现的概率最大，随着时间的推移，概率最大电压段有上升到4.16～4.17V的趋势。
随着使用时间的增加，电池组的电压分散程度增加。
从连续5个月的情况看，峰值概率已经从0.25降到0.18。
最高和最低电压压差已经从0.11V扩大到0.19V。
电压不均匀分布概率图的另一个重要特点是各个电压段的概率值在峰值两端基本成对称分布且成逐步下降趋势，分布状态与正态分布相似。
假设在上述电压分段中，概率成均匀分布，所以取概率分布分段电压中间值估计计算整体概率分布的均值和方差。
方差和均值的计算结果如表7。
表7不一致性分布均值和方差计算结果
时间Time
1个月
（1Month）
2个月
（2Months）
3个月
（3Months）
4个月
（4Months）
5个月
（5Months）
均值Mean
4.1527
4.1531
4.1547
4.1580
4.1663
方差Variance
0.000243
0.000383
0.000569
0.000705
0.00104
以统计
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