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五洲龙关于新能源客车技术路线及运营模式之探讨万芳

发布时间:2020-02-14 11:07:27 阅读: 来源:格栅板厂家

五洲龙:关于新能源客车技术路线及运营模式之探讨

经过近三十年的研究与应用,我国智能交通系统建设已取得巨大进步

宇通拥有世界最大的客车生产基地,连续12年年销量第一

我们要推动电动汽车应用,相信到2020年之后,我国电动汽车市场会达到世界领先

交通运输是国民经济和社会发展的基础性、先导性行业

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五洲龙:关于新能源客车技术路线及运营模式之探讨

2013年05月28日 14:52来源:厂商供稿

关于新能源客车技术路线及运营模式之探讨

--深圳市五洲龙汽车有限公司

一、前言

自从2001年我国科技部开始设立 三纵三横 电动汽车专项以来,我国已经按照汽车产品开发规律,在电动汽车关键单元技术、系统集成技术及整车技术上取得了重要进展,建立了国家研发技术标准平台、测试检验平台、政策法规平台以及示范应用平台。到2008年十城千辆开始,陆续在25个示范城市投各种电动汽车作为新能源客车,投放量已超10000辆,到2012年示范推广扩大到25个示范城市以外,新能源汽车的示范运营规模进一步扩大,特别新能源客车在我国新能源汽车的示范运营扮演了重要的角色,无论是数量、运营效果、减排效果等方面均占重要位置。

新能源汽车作为较新兴的汽车工业,结合各地方的特点,也产生了多种不同技术路线及运营模式,真可谓百花齐放。在深圳市五洲龙汽车公司发展的十多年里,通过多年的研发和运营,摸索出了一条具有特色的发展之路,可以为其它整车厂提供借鉴。

二、关于技术路线

国家2012--2020年节能与新能源汽车产业发展规划中,将常规混合动力客车列为节能汽车,将插电式混合动力客车、纯电动客车、氢燃料电池客车列为新能源汽车。而国家政策重点支持新能源汽车的发展。

1.电量保持型混合动力客车

国内最早对混合动力客车的理解基本上都是电量保持型混合动力客车。电量保持型混合动力客车的动力电池为功率型,可以配置较小容量的动力电池,只要其功率特性满足主电机的使用即可。该种类型混合动力客车无需外插充电,其电池的电量会在一定的SOC范围内波动。

2.插电式混合动力客车

插电式混合动力客车的动力电池容量配置较大,具有纯电动行驶功能,能在纯电动行驶30-50km,然后车辆自动进入混合动力模式,且电池的SOC会维持在一定范围内。因该类型车辆具有纯电动行驶功能,所以车辆的电功率比均比较高,为深混动力系统。插电式混合动力客车因其更接近纯电动,且可以利用电网低谷提供电能,达到更加节油的目的,其相关充电系统的基础设施可为纯电动化铺路。因此,五洲龙公司从战略方向出发,选择了这一方向,一贯坚持了这一技术路线。

3.增程式纯电动客车

随着动力电池的技术不断进步,成本也不断降低,纯电驱动型电动汽车列入了国家2012-2020年国家发展规划並给予支持。因纯电动客车成本高,续航里程较短,为了解决这些难题。开发了增程式电动客车,与纯电动客车相比,其可以配置容量相对较少的动力电池组,增加了一个增程器(也就是发电机组),在动力电池电量不足时,自动启动增程器,给动力电池不断充电,以解决纯电动续航里程短的问题,以满足每天行驶里程需要。因该车型相对混合动力客车更省油,相对纯电动客车成本更低,所以得到了不少用户的支持。但是增程式纯电动客车在增程器启动时,仍不是零排放。

4.纯电动客车

纯电动车可以做到绝对的零排放,所以受到了不少污染严重或是非常重视城市空气质量的地方的青睐。因纯电动客车成本高、续航里程有限,日前大规模广泛应用仍受到了一定的制约。但随着储能系统技术的发展和成本的降低,纯电动客车的发展是肯定的。

三、五洲龙混合动力客车开发的技术路线

1.新能源汽车模式的确定

新能源汽车包括混合动力汽车、纯电动汽车、氢燃料电池车等。

在前期调研中,国内清华大学、北京理工大学等大学以及安凯、中通等厂家等已开发纯电动车,最早在北京121线也投入纯电动车辆进行示范运营,后在2008年北京奥运、2010年上海世博会都有纯电动汽车在场馆周边运营。但运营的结果表明,动力电池组成本仍很昂贵,容量衰减快,产品寿命周期短,动力电池仍为纯电动汽车特别是纯电动大客车的技术瓶颈,纯电动汽车车用动力电池技术上虽然发展很快,但在短期内很难得到重大的突破。

而氢燃料电池车目前只能为概念车,还没有产业化及普及推广基础。

混合动力汽车采用燃油及电动两套系统,由多能源控制系统控制,达到节能及环保的效果。燃油动力系统已经非常成熟,混合动力汽车开发的重点在于电动系统以及整车控制系统。混合动力汽车还可以利用现有的能源加注设施,产业化条件相对成熟。

基于上述各种新能源汽车的特点,五洲龙公司以开发混合动力汽车为重点,兼顾纯电动客车开发来促进新能源客车应用的发展。对燃料电池汽车则采用产学研相结合的方式作前瞻性的研究。

2.各种混合动力车模式的试制及确定

混合动力汽车按其机电耦合方式可分为串联型、并联型以及混联型。

串联型混合动力汽车由发动机、发电机和电动机三部分动力总成组成,用串联方式组成动力单元。发动机驱动发电机发电,电能通过控制器输送到电池或电动机,由电动机通过变速机构驱动汽车。当车辆处于启动、加速、爬坡工况时,发动机、发电机组和电池组共同向电动机提供电能;当车辆处于低速、滑行、怠速的工况时,则由电池组驱动电动机,当电池组缺电时则由发动机、发电机组向电池组充电。串联型适用于城市内频繁起步和低速工况,可以将发动机调整在最佳工况点附近稳定运转,通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的。使发动机避免了怠速和低速运转,从而提高了发动机的效率,减少了废气排放。但是串联型混合动力系统的缺点也是明显的,其能量几经转换,总系统效率较低,很难达到明显降低油耗的目的;另一缺点是发电机系统和主电机系统功率大,动力电池组容量要求也大,整车成本高。

并联型装置的发动机和电动机共同驱动汽车,发动机与电动机分属两套系统,可以分别独立地向汽车传动系提供扭矩,在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。当汽车加速爬坡时,电动机和发动机能够同时向传动机构提供动力,一旦汽车车速达到巡航速度,汽车将仅仅依靠发动机维持该速度。电动机既可以作电动机又可以作发电机使用,以平衡发动机所受的载荷,使其能在高效率区域工作。但是由于发动机和驱动轮采用机械连接,在城市工况时,发动机并不能总是运行在最佳工况点,车辆的排放相对串联型动力系统要差一些。由于没有单独的发电机,发动机可以直接通过传动机构驱动车轮,这种装置更接近传统的汽车驱动系统,机械效率损耗与普通汽车差不多;另外并联型造价相对较低,利于产品推广。

混联型电动汽车是综合串联型和并联型结构特点组成的,由发动机、电动/发电机和驱动电动机三大动力总成组成。混合型动力系统结构先进,可充分利用串联型和并联型的优点。但混合型动力系统结构相对复杂,整车造价也相对较高。

五洲龙公司在2001年开发初期,曾开发串联混合动力客车和并联混合动力客车各一辆,2004-2005年联合华南理工大学开发了混联混合动力客车。通过试制样车以及道路工况实际运营的长时间考验,其结果显示,串联系统成本高、节油率低;而当时的混联系统结构复杂,制造成本高,可靠性低;并联系统成本适中,节油率比较明显,是混合动力客车发展的较好的方向和突破口。经过多年的研究及探索,五洲龙发明了自主知识产权的混联型混合动力系统,大大简化了混联动力系统,提高系统可靠性、降低系统各种专用的加工件,使其具备了产业化的条件。

在混合动力汽车电量保持型及插电式方面,五洲龙公司经过了充分论证和实际捡验后,在国内第一家引入插电式混合动力客车动力系统的概念,并在2005年将开发成功的插电式混合动力客车,在深圳投入商业化示范运营。

在 八五 期间,在采用电量保持型混合动力汽车还是采用插电消耗电能型的混合动力汽车上面,国内几乎所有业内人仕都认为,混合动力汽车就不应该充电,应该采用电量保持型混合动力汽车。他们认为这样一方面可以减少建设充电设施的麻烦,适应用户的心理,同时也可以得到有关方面的鼓励和支持,因此,当时,几乎都采用不补电方式。甚至,认为蓄电池容量越小越好,从100ah减到80ah、60ah、40ah、30ah......

但是五洲龙公司工程人员经过多年的研究、试验和认证探索,认为:一、混合动力汽车上的电能不会无中生有,除刹车回収的能量外,要么有发动机的燃油转换得来,要么通过外部充电得来;而通过发动机燃油转换为电能,能量转换环节多,总体效率低,如发动机发电、再给电池充电,其最高效率不会超过发动机最好工作效率35%,再加上发电机工作效率损耗,电池组充电效率损耗,其燃油转换为电能总效率非常低;在动力电池组性能不好、无混合动力客车专用发动机的情况下,其效率将更低,能量损耗更多。因此,减少车载发动机发电,就意味着提高了车辆总体效率。二、电网的低谷电非常便宜,如果在晚上用低谷电给车辆充电,在白天行驶时充分利用好晚上充的电,车辆节油及经济效果会更加明显。三、不搞充换电站,不符合往纯电动逐步发展的目标。

因此,五洲龙公司工程师独创的提出了电量渐耗型插电式混合动力客车及其能量控制策略,将晚上充的电量,在白天车辆运行时,有目的、有计划的加以消耗,以尽可能减少发动机发电补充电量的机会。试验结果表明,采用上述策略的插电式混合动力客车,其节油效果非常明显,相对电量保持型动力系统,其节油率可相对提高10%以上。

另外,插电式混合动力汽车可利用晚上低谷电能,调节电网夜间负荷,得到了电网公司的高度认同和支持;插电式混合动力客车可推进充电场站的建设,为电动汽车向纯电动汽车发展打好充电设施的基础。

五洲龙公司认为,插电式混合动力客车是现阶段最好的、最利于推广的新能源汽车。

3.储能装置的选型

在镍氢动力电池、锂动力电池、超级电容等储能技术未成熟前,五洲龙公司先采用了铅酸电池做为混合动力客车的储能装置。通过与几十家铅酸动力电池厂的合作开发,并从中选择性能最好的动力电池,做为混合动力客车的配置。经过多年摸索,五洲龙在电池的应用上积累了经验,为后续蓄能系统改进打好了基础。

但铅酸电池重量比能量低,且其大功率充放电的效率也不高,寿命短,所以铅酸动力电池单独使用只能作为过渡期的选择。

超级电容是一种新型储能装置,由于瞬时充放电功率大,有上百万次的长寿命周期,工作电压、温度范围宽的特点而引起我们的关注,其主要问题是能量密度低。在将超级电容成组为总容量22法拉,耐压为432伏的储能器时,其放电容量仅为0.5千瓦时,因此单用超级电容作为电动车的储能器时,其续驶里程極短,在爬坡、道路坑洼、交通堵塞时,更是严重影响车辆行驶的可靠性。

在各种各样的试验中,五洲龙公司曾使用了以功率特性好但能量密度差的超级电容和功率特性差但能量密度较好的铅酸动力组合,两者特性形成互补,基本满足混合动力客车功率特性要求,使用成本较低。

五洲龙公司同时与国内外多家厂家,开展镍氢动力电池、锂动力电池以及各种超级电容的合作开发。先后对多家多种蓄能装置展开试验和比较,向动力电池厂反馈第一手的资料。与多家动力电池厂结为合作伙伴,进行电池的开发。

近几年,锂动力电池技术发展飞速,电动组的一致性、可靠性以及安全性等方面得到了长足的进步,锂动力电池在五洲龙产品车得到了较多的应用,锂动力电池也是目前五洲龙公司新能源客车应用主推的储能装置。

4.发动机选型及控制

从最早的机械油泵式的欧二排放发动机开始,五洲龙公司试用了康明斯、柏金斯、依维柯、玉柴、朝柴、五十铃、大柴等国内外多家发动机品牌的发动机,发动机功率在87kw以上,对各种计算出来的配置进行了多种发动机功率的试验,得出结论是混合动力客车上的发动机并不是一些学术人仕认为的发动机小才节油,而是应该与电机、动力电池能力形成好的匹配,才能发挥出电机和发动机的特性,才能达到节能和环保的效果。经过多年试验,五洲龙公司以132kwt至155kw功率段发动机为主要配置。

在混合动力客车中,发动机是连续工作还是怠速停机,在学术界一直存在争议。五洲龙公司在混合动力客车开发初期也比较迷茫。

本着实事求是的工作态度和尊重客观事实的原则,五洲龙公司通过样车,对发动机进行怠速停机控制,经过几百公里的试验后,发现发动机出现了严重的故障。故障点主要是涡轮增压器损坏。后经分析以及咨询发动机厂家,认为,发动机如果在很高转速下,突然熄火,会对涡轮增压器造成损害,且与发动机使用说明条款相背的。

结论:如果不是专门开发的混合动力发动机,带涡轮增压器的柴油发动机不能工作于频繁启动停机状态。此观点最后也得到多数专家与同行的认可。

因此,五洲龙公司的控制策略均以发动机不熄火为前提进行设计开发的。但是,也在与发动机厂家探讨混合动力客车专用怠速停机的发动机的开发。

5.电机的选型

在电动汽车用电机上,五洲龙公司对感应电机、永磁同步电机、开关磁阻电机进行了对比分析。永磁同步电机效率较高,成本高,系统成熟;开关磁阻电机工作噪声大,转矩脉动大,效率一般,体积较大;

五洲龙公司开发的混合动力客车上所用电机大部分均为三相感应变频调速电机。它具有造价低、可靠性高、调速范围宽、控制成熟等优点,成为混合动力客车电机首选。

五洲龙公司先后对湘潭电机厂电机、西门子电机、重庆电机厂电机以及大连电机厂进行台架及装车试验,这些电机有风冷电机以及水冷却电机。从体积重量以及可靠性等方面综合考虑,我们认为水冷却电机更适用于混合动力客车,通过试验考核,也选择了生产工艺最成熟、产品最可靠的三相感应变频调速电机做的主要配置。

近几年永磁同步电机技术发展很快,在电机可靠性、成本控制、控制技术、制造技术等方面均得到实质性的提高,所以也在五洲龙混合动力客车、纯电动客车上得到大批量的应用,也成为了五洲龙纯电动客车的标准配置。

四、关于运营模式

电动汽车的运营模式与车辆的技术路线息息相关,综观目前国内各种新能源客车的示范运营,我们综合了一下,以供探讨。

1.电量保持型混合动力客车

因其不需要充电,节油效果较差,其运营模式与传统燃油车一样。

2.插电式混合动力客车

插电式混合动力客车需要晚上对车辆进行充电,所以其运营模式与纯电动客车有一定的相似性,但是插电式混合动力客车可以不受续航里程的限制,运营里程与传统燃油车相当,节油及经济效果较好。

3、增程式纯电驱客车及纯电动客车

增程式纯电驱客车与插电式混合动力客车一样,不受续航里程的限制,运营里程与传统燃油车相当,所以车辆可以晚上回到充电场站后再充电,但是其充电功率会比插电式混合客车要大,与纯电动客车充电功率相当。

而纯电动客车因续航里程、成本等问题,国内外开发了多种运营模式。

A、晚上充电白天运营模式

该模式需要车辆配置较大容量的动力电池组,基本保证公交线路一天的运营里程需求。该模式车辆成本较高,但是可以充分利用晚上低谷电,降低运营成本,同时对电网起到调峰的作用。且充电机功率无需很大,充电场站的建设费用也不很高,因而得到广泛应用。

B、换电模式

换电模式的车辆为专门开发,其动力电池箱根据充电站标准,可通过机器人或机械手进行快速更换,其思路与传统车辆加油相当。该运营模式需建设专门的换电站、专门机械、专门的电池箱,且换电站占地面积大,备用电池箱数量多。所以其缺点是:换电站成本高、备用动力电池费用也高、车辆上电池箱触点可靠性有待提高、新旧电池箱混用会影响电池性能与寿命、白天充电费用高起不到调峰的作用等。但是采用了车电分离,租赁等运营模式,可以解决公交公司购车及运营成本的问题。所以在资金雄厚的单位的支持下,该模式也有一定的发展。

C、快速充电模式

快速充电模式是基于使用更少容量的功率型动力电池,在车辆每次回到场站时,利用排班时间给车辆充电。该模式的特点是:动力电池充电功率大,适应快充的电池比较贵,充电机功率大、充电场站需要设在公交场站、白天充电。该模式车辆因电池功率大,其整车成本也不低;充电机功率大,更提高了充电场站的建设费用,且在白天进行大功率充电,对电网冲击大,更起不到调峰的作用。虽然充电时间短,但是仍对运营排班有一定的影响。

D、每站充电模式

该模式的典型就是上海某条超级电容车公交线路。该线路每个公交站均设有充电机,车辆可以根据电源电量的情况,在需要的公交站进行短时间的充电。所以其特点是:充电设备建设费用高、因不能配置储存更多电能的超级电容(体积及成本限制)所以其储存的电能很有限,如果充电时间不充分,可能会出现车辆行驶中抛锚风险;而充分的充电时间意味着每次车辆进站到出站时间有所加长,产生乘客等待时间。而行驶路线是固定的,制约了车辆行驶的灵活性。

五、关于技术路线及运营模式的主张

综上所述,五洲龙公司在新能源客车上技术路线是大力发展深度混合动力客车,积极推进纯电动客车,研发氢燃料电池客车。

新能源客车目前以应用磷酸铁锂动力电池为主。

运营模式上积极推进插电式纯电动客车晚上充电白天运营模式的发展,根据市场需要适当发展换电模式纯电动客车。

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