純電動公交車運營效率的影響及優(yōu)化分析

辛基源　郭鴻鈞

摘 要：近年來，社會經(jīng)濟迅猛發(fā)展，城市化水平升高，城市人口成倍劇增，居民日?；顒臃秶臄U大提高了交通出行需求，道路交通量和機動車擁有量激增，由此導致城市擁堵程度加劇、環(huán)境污染嚴重和交通事故頻發(fā)等，嚴重制約了社會經(jīng)濟的發(fā)展，而公交車由于其載客量大、運輸效率高的特點，被認為是解決交通擁堵的重要手段，而純電動公交車的應用是實現(xiàn)健康出行、零排放出行的重要方式。但續(xù)航里程短和充電站的不足是制約純電動公交車推廣應用的最大因素，本文從純電動公交車能耗、充電管理優(yōu)化來分析純電動公交車的運營效率。

關(guān)鍵詞：純電動公交車 充電管理 運營效率

隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展突飛猛進，全國汽車保有量也在增加，根據(jù)公安部統(tǒng)計，2023年全國機動車保有量達4.35億輛，汽車3.36億輛，全國新能源汽車保有量2041萬輛，純電動汽車保有量1552萬輛，新注冊登記的新能源汽車從2019年的120萬量增長到2023年的743萬量，呈高速增長的態(tài)勢，對于載客量大、運輸效率高的公交車，國內(nèi)各城市公交企業(yè)也都在逐步由傳統(tǒng)燃油車升級換代到純電動公交車，純電動公交車在各個城市比例也在逐漸增高，但是由于沒有適應的充電管理方案、充電設(shè)施不能妥善匹配，加上在冬季車輛的動力電池的衰退，導致純電動公交車“趴窩”的現(xiàn)象屢見不鮮，極大地影響了純電動公交車的運營效率。但相對于新能源私家車來說，公交車的運行區(qū)間、線路、線路時間相對固定，容易管理和追蹤[1]，所以通過優(yōu)化充電管理、增加相匹配的基礎(chǔ)設(shè)施可以一定程度上提高純電動公交車的運營效率，從而提高純電動公交車的推廣和普及。

1 純電動公交車運營推廣現(xiàn)狀

交通運輸部《2022年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》中顯示，2022年末全國擁有公共汽電車70.32萬輛，比上年末減少0.63萬輛，其中純電動車45.55萬輛、增加3.59萬輛，占公共汽電車比重為64.8%、提高5.6個百分點[2]。根據(jù)以上統(tǒng)計數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，純電動公交車在我國公共運輸車輛中占比最大，且占比值持續(xù)增長。并且在交通運輸部科學研究院《2019中國新能源公交車推廣應用研究報告》中顯示[3]，我國中東部地區(qū)相對于西部地區(qū)純電動公交車推廣更加普及，分析其原因一是中東部地區(qū)經(jīng)濟較西部地區(qū)發(fā)達，有比較成熟的運營基礎(chǔ)設(shè)施且海拔、氣候較西部地區(qū)溫和，環(huán)境適合動力電池良好工作；二是西部地區(qū)地廣人稀，即使在城區(qū)路段也存在大量的坡路，這就對動力電池的比能量、比功率有很大的要求。但是隨著純電動公交車制造技術(shù)、動力電池技術(shù)的提升，西部地區(qū)也已經(jīng)推廣普及純電動公交車。

2 影響純電動公交車運營效率的因素

2.1 動力電池

動力電池的性能是影響純電動公交車行駛性能、運營效率的重要因素。目前，純電動公交車動力電池主要有三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池兩種。其中磷酸鐵鋰電池相對于三元鋰電池的安全系數(shù)更高，磷酸鐵鋰電池的能量密度較三元鋰電池小，但為了保障安全，純電動公交車大都采用磷酸鐵鋰電池，這就會導致純電動汽車的續(xù)航不是很高，間接的影響了運營效率。針對這一問題，研發(fā)新形態(tài)、新材料電池是今后的主要目標。比如，在上海試運行的超級電容公交車，超級電容作為一種物理電池，具有極高的電容量、迅速的充放電能力、較長的循環(huán)壽命并且可以在極端溫度條件下正常工作，但超級電容由于放電快不能長時間儲存能量成本也很高，目前還沒有大范圍普及。

2.2 純電動公交車能耗

純電動公交車的能耗測算直接關(guān)系到剩余里程估算、充電規(guī)劃。影響純電動公交車能耗的因素有很多，例如道路因素、氣候環(huán)境、駕駛員的駕駛習慣等，道路因素主要是交通擁堵情況、公交車運行時的平均速度；氣候環(huán)境因素主要體現(xiàn)在嚴寒及酷暑的天氣狀況，在這種氣候環(huán)境下，車內(nèi)需要開啟空調(diào)，此時能耗會大幅提高。而駕駛員的駕駛習慣對車輛的行駛能量消耗及制動能量回收有很大的影響，急加速以及頻繁的起步會導致能耗的增加。

2.3 充電模式

充電的模式是多種多樣的，除了我們熟悉的快速充電和慢速充電，還有無線充電和有線充電，有線充電又包括了直接充電模式和換電模式，直接充電模式相較于換電模式更加具有經(jīng)濟性，因為直接充電模式是采用專用的線纜在整車上進行充電，而換電模式需要建設(shè)專門的換電站，但從運營效率的角度看，換電模式具有高效率的優(yōu)點，并且直接充電模式的快速充電模式會對電池壽命產(chǎn)生影響，慢充模式充電效率太低且充電基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量不夠滿足充電需求，從長遠角度看，隨著純電動公交車的推廣普及，相應的充電設(shè)施也會逐漸完善，加上動力電池技術(shù)日益成熟，在未來直接充電模式應為主流，換電模式為應急方式。

2.4 駕駛行為

由于人的差異性，導致了每個司機的駕駛習慣都有所差異，一個良好的駕駛行為可以帶來較好的經(jīng)濟效益，因為車輛在運行過程中保持平穩(wěn)可以減少班次的能耗水平，提高車輛調(diào)度的效率。如果司機在公交運行過程中頻繁的加減速，電機中電流的大小發(fā)生瞬時變化會增加單位里程的耗電量，消耗電量的劇烈波動也會加速電池衰減的現(xiàn)象，從而直接影響公交的續(xù)駛里程。

2.5 車輛調(diào)度

車輛調(diào)度在城市公共交通系統(tǒng)中具有重要的意義。合理的車輛調(diào)度可以使得車輛運行更加平穩(wěn)，減少車輛間的空駛和重疊，提高運輸效率。在傳統(tǒng)的車輛調(diào)度方法中，常采用的是靜態(tài)調(diào)度方法，即提前對車輛進行排班計劃。然而，靜態(tài)調(diào)度方法無法應對實時的運行變化，往往會導致車輛運行不夠靈活，不能滿足用戶需求。因此，研究者提出了動態(tài)車輛調(diào)度方法，能夠根據(jù)實時的運行情況對車輛進行調(diào)度和優(yōu)化，提高運輸效率和服務質(zhì)量。

3 提高純電動公交車運營效率可實施的方法

3.1 優(yōu)化充電管理

不同的城市的純電動公交車的運營策略是不一樣的，可以根據(jù)不同城市的純電動公交車的發(fā)展特點，提出相應的對策來提高運營效率。對于采用全路線為純電動公交車的城市，優(yōu)化車輛的充電管理及合理采用不同的充電模式可以很大程度提高純電動公交車的運營效率。純電動公交車合理利用行程任務的間隙時間和夜間場站駐留時間段有序的安排充電活動是優(yōu)化充電管理的重要手段。而純電動公交車的充電管理其實就是在充電站的規(guī)劃和建設(shè)、充電過程的安排和監(jiān)督、充電的安全管理等幾個方面實施的，基于純電動公交車產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，采用PDCA循環(huán)（計劃Plan、執(zhí)行Do、檢查Check、處理Act）的充電管理方法助力純電動公交車的充電管理問題，優(yōu)化充電策略[4]。

3.1.1 計劃（Plan）

在充電的時間段中，存在充電的谷峰時段，很多純電動公交車充電無計劃，這就導致了在谷時段充電不飽和，峰時段過度補電，這樣會增加公交企業(yè)的運營成本，對此，公交企業(yè)可以制定“高峰少充，谷峰多充，平峰合理充”的制度策略[4]，并以車隊為管理單位，線路為對象制定合理的充電計劃。

3.1.2 執(zhí)行（Do）

要做好公交車司機的培訓，自覺遵守充電計劃，并在各個充電節(jié)點落實充電方案，共享線路計劃，優(yōu)化充電次序，保證谷峰充電最大化。

3.1.3 檢查（Check）

對充電安排做記錄表格并定期檢查，通過車輛數(shù)據(jù)遠程傳輸做抽查，對充電設(shè)施設(shè)備定期檢查，強化合理充電、安全充電的意識。

3.1.4 處理（Act）

嚴格落實充電服務考核，對違反充電計劃、充電服務考核不達標的扣除相應的服務費用，督促供電商不斷提升服務質(zhì)量。

3.2 合理測算整車能耗和優(yōu)化高能耗零部件

合理的對純電動公交車進行能耗測算不但可以對車輛運營能耗、零部件能耗提出優(yōu)化，還可以根據(jù)能耗測算優(yōu)化充電方案，合理安排公交車調(diào)度。純電動公交車常用的能耗計算常采用車輛數(shù)據(jù)遠程傳輸技術(shù)，利用遠程傳輸?shù)能囕v總成零部件電流電壓數(shù)據(jù)，可以計算純電動車的能耗。純電動車的能量均來自車載動力電池，車輛總能耗可以使用車輛電池管理系統(tǒng)（BMS）的總電壓、總電流進行計算，采用時間積分法，計算一段時間內(nèi)的能耗值[5]。該方法可以對純電動公交車能耗全面的測算，有利于分析高能耗的因素，優(yōu)化新車零部件制造，提高純電動公交車的運營效率。

3.3 完善充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)

目前，新能源汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)主要在我國中部、東部沿海城市較為完善，對于北方及西北地區(qū)的充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)還有有很大的欠缺，對于純電公交車，存在很多公交車企業(yè)在沒有提前規(guī)劃好充電樁、充電站、換電站等基礎(chǔ)充電設(shè)施建設(shè)的情況下，大批量的購入純電動公交車，由于充電設(shè)施的不完善導致純電動公交車無法提高運營效率，加上大部分公交車的運營路線是在城區(qū)或者市中心，這就導致后期對基礎(chǔ)充電設(shè)施的建設(shè)面臨用地困難的情況。因此，做好基礎(chǔ)充電設(shè)施的改造和建設(shè)是解決問題的重要手段，對于有些市中心地段，沒有可增建充電設(shè)施的空間的情況，可以采用合力安排公交車運營調(diào)度計劃，在其他符合建設(shè)條件的區(qū)域增建充電設(shè)施，必要時可采取跳站策略來保證純電動公交車的運營效率。

3.4 合理制定純電動公交車運營調(diào)度計劃

純電動公交車與燃油公交車的在動力系統(tǒng)上有著非常大的差異性，在能源的補給上，燃油公交車大幅度優(yōu)于純電動公交車，傳統(tǒng)燃油公交車加滿一次油，基本可以滿足一天的調(diào)度計劃，而純電動公交車不僅不能時間長，而且續(xù)航里程短，這就會出現(xiàn)燃油公交車的調(diào)度計劃無法適應到噸電動公交車上，在運營調(diào)度方面，純電動公交車不僅僅需要考慮站點?？繒r間、往返時間等，還需要考慮續(xù)航里程，合理利用班次鏈的間隙時間補充電量，在有限的續(xù)航里程中銜接更多的班次鏈。加上純電動公交車動力電池受環(huán)境、溫度等各方面影響比較大，壽命相對較短，在年復一年的行駛中，會出現(xiàn)因動力電池衰退引起的無法按照調(diào)度計劃完成運營任務。針對以上情況，提出純電動公交車調(diào)度優(yōu)化方案，合理安排純電動公交車的運營調(diào)度計劃，可以有效的提高運營效率。目前，純電動公交車仍然采用燃油公交車的全站?？康哪Ｊ?，這種站站停靠的模式在運行效率上比較低，因為在不同時段的不同公交站出行人數(shù)是不均衡的，所以合力規(guī)劃純電動公交車跳站班次以改善純電動公交車一次補充電量后的能量利用率，利用跳站策略改善供需平衡。另外，純電動公交車的運營調(diào)度計劃是持續(xù)動態(tài)調(diào)整的，不是一成不變的。

3.5 創(chuàng)新技術(shù)

純電動公交車的核心技術(shù)呈飛速發(fā)展的態(tài)勢，尤其是在動力電池的形式、驅(qū)動電機、充電模式這幾個方面上，在近幾年，許多新型的純電動公交車崛起，例如上海超級電容公交車、新型雙源無軌電車等。這些新型的純電動公交車解決了充電慢或者充電設(shè)施建設(shè)困難的問題。在未來隨著電池技術(shù)的突破、充電模式的可靠性提高、制造工藝的提升、整車乃至零部件的能耗減少都可以大幅度提高純電動公交車的運營效率。

4 結(jié)論

本文就影響純電動公交車運營效率的因素做了淺析，并沒有對作用機理給出更多的描述，關(guān)于這方面還需要進一步的研究。

基金項目：甘肅省教育廳2023年高校教師創(chuàng)新基金項目“基于非支配排序差分進化算法的公交發(fā)車間隔優(yōu)化研究”。

參考文獻：

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