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探讨城市公交电动客车的发展现状及前景摘要：介绍了各种类型城市公交电动客车原理和结构，阐述了各种类型城市公交电动客车的特点，从动力性、经济性、环境污染和维修使用方面分析其优缺点；进行了全承载车身结构对电动汽车影响的探讨，提出了城市公交电动客车是城市交通理想交通工具。关键词：城市公交电动客车动力源污染动力性成本全承载车身结构一、引言由于能源的资源匮乏和环境问题，迫使全球在寻找新的交通动力和新的能源，进而设法打破近百年来一直依赖于汽油、柴油作为动力源的局面。目前我国汽车动力油的消耗，已占整个动力油油耗的75%以上，其资源的耗费之巨和环境保护问题已给快速经济的发展和可持续发展带来了极大的压力。为了贯彻国家能源战略，国内有多家汽车生产厂商已完成了多种形式电动城市客车样车的开发和试制，有的已经过实际工况试用后总结了经验，正在进行产业化和商品化的准备。二、城市公交电动客车原理和结构城市公交电动客车是指以车载电源为动力，选配合适的车载蓄电池或电缆供电设备提供电能驱动行驶的客车，目前电动客车主要以车载蓄电池为动力源，本文探索的电动客车是载蓄电池的城市公交电动客车。车载电池动力源有多种：蓄电池、燃料电池、太阳能电池等。城市公交电动客车具备良好动力性能和持续行驶里程，动力电池要使用寿命长、成本较低，与整车的配备良好。城市公交电动客车主要种类为纯电动、混合动力和氢燃料等1.纯电动城市公交电动客车纯电动城市公交电动客车以动力蓄电池、超级电容或动力蓄电池+超级电容为动力源纯电动城市客车的结构：铅酸电池结构；镍氢电池结构；锂电池结构；超级电容结构；锂电池+超级电容结构等铅酸电池、镍氢电池或锂电池的城市公交电动客车，其原理、结构是一样的，区别在电池单位重量储存能量不一样，因而相对一次充电持续行驶里程、动力电池使用寿命、成本有所不同。锂电池单位重量储存能量为铅酸电池的3倍，使用寿命长，价格为铅酸电池的4-5倍，一次充电持续行驶里程最高可达200Km。超级电容公交车系统是一种新型的城市公交系统，它以超级电容为储能装置，以超级电容代替动力蓄电池，充电快，使用寿命长，单位重量储存能量低，一次充电持续行驶里程仅3-4站，充电时间0.5-1分钟，所以要专车线路，专车路线上有许多充电站，以便满足车辆运行。近期，安凯汽车股份有限公司开发研制的锂电池+超级电容城市公交电动客车是新的理念，以锂电池为主电源，超级电容为辅助电源。锂电池具有能量密度高、体积小等优点，但不能快速充放电；超级电容可以迅速充放电，寿命长（可以充100万次）等优点，但蓄能低。这两种电源结合，综合了两者的优点。原理，公交车匀速行驶时，以锂电池为动力，超级电容不工作；当爬坡、加速、启动时，除锂电池正常工作外，超级电容参加工作，补充额外所需动力。2.混合动力城市公交电动客车混合动力电动汽车是将电力驱动与辅助动力结合起来，充分发挥二者各自的优势及二者相结合产生优势的车辆。辅助动力可以采用燃烧某种燃料的原动机，如内燃机、燃气轮机等或其他动力发电机组。混合动力汽车主要可以分为三种结构形式，即串联、并联和混联。2.1串联串联式混合动力系统示意图如图1所示。串联结构的特征是以电力形式进行复合，发动机直接驱动发电机对储能装置和牵引电机供电，电动机用来驱动车轮，储能装置（电池）起着发动机输出和电动机需求之间的调节作用，能量既可以来自发电机又可来自于地面充电，当发电机的发电功率大于行驶阻力时,控制器控制发电机向电池充电;反之,电池则向控制器提供额外的电能，以使电动机更大的动力。但在机械能与电能的转化过程中有效率损失，很难达到明显降低油耗的目的，目前主要用于城市大客车，在轿车中很少见图12.2并联并联式混合动力系统示意图如图2所示。并联式混合动力电动汽车的结构形式基本就是沿用传统内燃动力汽车的模式，只是在传动链上加装了一个辅助电动系统。发动机通过变速并联混合动力系统示意图装置和驱动桥直接相连，电机可同时用作电动机或发电机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桥机械连接，在城市工况时，发动机并不能运行在最佳工况点，车辆的燃油经济性比串联时要差。图22.3混联混联式结合了串联和并联的优点，但是结构复杂，目前主要用于轿车。3.氢燃料城市公交电动客车燃料电池是把燃料中的化学能直接转化为电能的能量转化装置，它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能储电而是一个发电厂。它的工作原理是：将氢气送到负极，经过催化剂（铂）的作用，氢原子中两个电子被分离出来，这两个电子在正极的吸引下，经外部电路产生电流，失去电子的氢离子（质子）可穿过质子交换膜（即固体电解质），在正极与氧原子和电子重新结合为水。由于氧可以从空气中获得，只要不断给负极供应氢，并及时把水（蒸汽）带走，燃料电池就可以不断地提供电能。燃料电池也有多种类型，经过多年的探索，最有望用于汽车的是质子交换膜燃料电池。目前，安凯汽车股份有限公司开发研制的燃料电池+超级电容城市公交电动客车，是新概念车。以燃料电池为主电源，超级电容为辅助电源。原理，车辆匀速行驶时，以燃料电池为动力，超级电容不工作；当爬坡、加速、启动时，除锂电池正常工作外，超级电容参加工作，补充额外所需动力。三、全承载车身结构对电动汽车影响城市公交车身底架结构分为大梁式、三段式和桁架式。大梁式、三段式底架结构由于本身结构特点局限性影响着城市公交客车的车载蓄电池数量和布置及整车重心偏高、空间利用率低。作为电动客车，其动力总成为电池组。电池数量对汽车的动力性起着决定性的作用，它要求大量的空间放置电池，同时要求车身结构强度和刚度必须足够。而全承载车身结构的底架具有优良的特性，它不是传统的冲压成型铆接车架式结构，而是由矩形管构成的格栅式结构。这种底架与前后围、侧围、车顶五大片组成全承载车身。车身采用封闭环结构，由于没有车架，故可降低地板和整车高度。整个车身参与载荷，上下部结构形成一整体，在承受载荷时，使整个车身壳体达到稳定平衡状态。在具有较大的抗扭刚性格栅式结构的底架上，由于取消了大梁，通过合理选择矩形管杆件的位置，能达到更多的空间，配置更多的总成，并保证各总成相对位置关系正常工作。全承载车身结构的底架，是由许多薄壁的杆件组成的格栅式截面，对不同电池型号来说，只要选择好合理格栅截面的位置和高度，就能达到相适应电池安装空间。全承载车身结构是由许多薄壁的杆件组成的，通过有限元分析优化，在保证强度和刚度满足使用要求的情况下，使其较其它底架结构类型的车辆要轻得多，这对提高城市公交客车的动力性，降低成本，延长行驶里程，有着深远的意义。全承载车身结构最大的优势是被动安全性好，按照欧洲的客车被动安全测试，这种结构能够在汽车翻滚及相撞时，保证部件总称的安全空间，从而提高电池安装保护。全承载车身结构还具有构件的成型过程简化，；整车重心低，操纵稳定性好等优点；四、城市公交电动客车组成结构的特点电动城市公交客车使用特点可从汽车的动力性、经济性、环境污染和维修使用来阐述1.纯电动城市公交电动客车1.1单一动力蓄电池结构的纯电动城市公交客车，其蓄电池的能量密度比较大，在驱动过程中，可以长时间提供足够的能量；蓄电池的放电效率比较低，所以车辆启动、加速、爬坡比较迟后；在蓄电池SOC较高时，充电效率更低，此时制动再生能量回收不好。蓄电池结构的电车动力性不太好，但续驶里程长；蓄电池成本高，使用寿命短，但维修简单并维修成本低。1.2单一超级电容结构的纯电动城市公交客车，其超级电容为储能装置，充电快（一次充满时间为0.5-1分钟），充电次数多达上万次，但单位重量储存能量低，一次充电持续行驶里程仅3-4站，局限在专车线路；放电效率高，所以车辆启动、加速、爬坡比较快；充电效率高，制动再生能量回收较好。车辆自身成本低，但为了满足车辆运行，专车线路上设有许多充电站，公共设施成本大。1.3锂电池+超级电容城市公交电动客车是新的理念，综合上述两者的优点，相互补偿。通常时，以锂电池为动力，超级电容不工作；当爬坡、加速、启动时，两者共同输电，但是车辆成本相对还是高。但任何纯电动城市公交电动客车的缺点：1.难解决耗能大的空调、取暖、除霜；2.动力组较易发生过充、过放，延长其使用寿命；优点是无污染，噪声低2.混合动力城市公交电动客车混合动力城市公交电动客车是兼顾降低燃油消耗和减少排放污染两种意义而研制的，也就是说，是向零排放过渡的一种形式。一般这种车的动力是由一台发动机和一台电动机两套系统组成的，任何一个系统都可以单独使用，也可以边走边充电。串联式电动客车正常行驶时用电动机驱动，当需要充电或车辆需要瞬间大功率时，发动机即投入运转；并联式电动客车正常行驶时用发动机驱动，当需要充电或车辆需要瞬间大功率时，电动机从电池取得电能向驱动桥提供额外的驱动功率；当发动机富裕时，驱动发电机并向电池快速充电。其优点是：1、采用发动机发电，有油耗、污染，此时发动机处于油耗低、污染少的最优工况下工作。2、因为有蓄电池，可以回收制动时、下坡时、怠速时的能量。3、在繁华市区，可关停内燃机（串联式），由蓄电池单独驱动，实现零排放。4、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。5、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，降低成本。缺点是：有两套动力，再加上两套动力的管理控制系统，结构复杂，技术较难，维修使用不方便。3.氢燃料城市公交电动客车氢燃料电池汽车实际上是一种使燃料中的化学能转变为电能从而驱动车辆的汽车，排放物只是没有污染并可再利用的水。氢燃料城市公交电动客车的优点：1、燃料电池能量转化效率高。燃料电池的能量转换效率可高达60-80％，为内燃机的2-3倍；2、绿色环保。燃料电池没有燃烧过程，以纯氢作燃料，生成物只有水，属于零排放；3、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；4、续驶里程长。采用燃料电池系统作为能量源，克服了纯电动汽车续驶里程短的缺点，其长途行驶能力及动力性已经接近于传统汽车；5、过载能力强。燃料电池除了在较宽的工作范围内具有较高的工作效率外，其短时过载能力可达额定功率的200％或更大。但缺点：1、价格昂贵；2、氢燃料来源范围比较窄，并其价格高；3、车载纯氢安全性要求高。五、结束语城市公交电动客车是将来交通车辆发展方向，“十一五”期间，我国重点发展三种新能源汽车：燃料电池汽车、混合动力车和纯电动车，目前在中国国内，后两种车的商业化都已经起步，而燃料电池车仍处于试验阶段。纯电动城市公交电动客车，低噪音，无污染，符合城市建设发展的要求；能源效率高，适宜城市运行方式，走走停停，行驶速度不高。电车停止时不消耗电量，在制动过程中，电动机可自动转化为发电机，实现制动减速时能量的再利用，尤其锂电池+超级电容城市公交电动客车更适应。而且结构简单，使用维修方便；从能源战略来说，充分利用夜间低谷电充电，从某种意义上来说降低能源。但电池的储能量小，一次充电后行驶里程不理想，影响城市公交电动客车行驶路线。从发展的角度看，随着科技的进步，投入相应的人力物力，电池储能量的问题将会逐步得到解决。新混合动力城市公交电动客车，兼顾降低燃油消耗和减少排放污染，从某种特点来说，续驶里程长，保持电池在良好的工作状态，不发生过充、过放，延长电池使用寿命，适合城乡间城市公交车，尤其串联式电车在繁华市区，可关停内燃机，由蓄电池单独驱动，实现零排放。氢燃料公交电动客车由于制造成本昂贵，使用的氢气价格又高；对规模商业化生产和运行来讲，另一个巨大的挑战是氢燃料源供应基础设施的建设。安凯汽车股份有限公司研发一辆燃料电池+超级电容城市公交电动客车由于条件限制，仅限于调试阶段。然而燃料电池电动汽车可以很好地解决能源短缺、城市环境恶化的问题。随着科技的进步，新材料（如新的质子交换膜，新的催化材料及技术等）、新结构、新工艺和新技术投入应用，从技术上解决比能量、比功率、寿命、成本等各种难题，燃料电池城市客车将成为未来城市客车的首选。全承载车身结构的底架，以不可争