超级电容公交车系统的商业模式探索

1、超级电容公交车系统的商业模式探索 华 黎*（上海奥威科技开发有限公司 上海 201203）摘要：超级电容公交车系统由电容公交车和快速充电候车站组成。采用超级电容储存电能以驱动车辆行驶。充电候车站利用无轨电车原整流网，在站台快速为超级电容公交车充电。由于超级电容具有较好的充放电能力、较长的循环寿命和较高的安全性、可靠性，使系统性价比较好。超级电容公交车系统非常适合固定线路的城市公共交通运营，是一种新颖的清洁环保的城市公交客运模式。上海老城厢11路超级电容公交车系统商业示范线开通已二年多，至2008年底将完成商业运营100万公里。探索其商业模式对推动其他新能源车辆的推广和城市公交节能如何走节能减排

2、可持续发展之路具有借鉴作用和现实意义。关键词：超级电容器；超级电容公交车系统；公交节能减排；商业模式；可持续发展Abstract: Ultracapacitor bus system consists of ultracapacitor buses and rapid charge stations. The bus is driven by the power stored in ultracapacitor modules. The charge station utilizes the old rectifying power grid and charges ultracapacito

3、r buses rapidly. The system has high cost performance due to the quick charge/discharge speed, long cycle life and high safety factor of ultracapacitors. Ultracapacitor bus system has turned out to be the best solution to city public transportation based on fixed routes, and it is a new type of city

4、 pubic transportation mode which is clean and environmentally benign. No. 11 ultracapacitor bus has been in commercialized operation in the old city of Shanghai for over 2 years, by the end of 2008, the total range of these buses will amount to 1,000,000 km. the research and exploration of the comme

5、rcialized mode of ultracapacitor bus system provide an successful example for the promotion of other new clean energy vehicles and has realistic significance for the sustainable development of energy conserving and emission reducing in city public transportation.Key Words: Ultracapacitor; Ultracapac

6、itor Bus System, Energy Conserving and Emission Reducing in Public Transportation; Commercialized Mode; Sustainable Development.一、超级电容公交车系统由来和技术基础1、超级电容器介绍超级电容器（Super capacitor）是一种具有大容量、高功率的界于电容与电池之间的新型储能器件，完全不同于传统的电容器，属于新兴的储能器件范畴。上世纪60年代国际上开始基础研究，最近10年取得了突破性进展，因其突出的技术性能成为了动力电池领域具有革命性的成果，在欧洲、美国、日本、韩

7、国已经开始形成新兴的储能器件产业。传统电容器以F（微法）标称电容量，超级电容器以F（法拉）标称电容量1F=106F，超级电容器容量可达到10万F以上。超级电容器主要包括双电层电容器（Electric Double Layer Capacitors）和电化学电容器（Electrochemeical Capacitors）。双电层超级电容器的基本原理是利用高性能活性炭形成的多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的电荷容量。传统物理电容中储存的电能来源于电荷在两块极板上的分离，两极板之间为真空（相对介电常数为1）或一层介电物质（相对介电常数为）所隔离。电容值为：C = A / 3.6 d 10-6

8、 (F)。所储存的能量为：E = 1/2 C（V）2其中C为电容值，V为极板间的电压差。可见，若想获得较大的电容量，必须增大面积A或减少介质厚度d。当在两端施加电压时，相对的多孔电极上分别聚集正负电子，而电解质溶液中的正负离子将由于电场作用分别聚集到与正负极板相对的界面上，从而形成两个集电层，相当于两个电容器串联，如图一所示： 双电层电容器结构原理图（图一）由于高性能活性碳材料具有2000m2/g的超高比表面积（即获得了极大的电极面积A），而且电解液与多孔电极间的界面距离不到1nm（即获得了极小的介质厚度d），根据计算公式可以看出，这种双电层电容器比传统的物理电容的容值要大很多，比容量可以提高

9、100倍以上，从而使利用电容器进行大电量的储能成为可能。但能量密度一般是23Wh/Kg，有些动力需求储能不能满足。混合型电极结构的电化学电容器开始出现，其正极采用金属Ni电极结构，负极采用C型电极，使超级电容器的比能量达到10wh/kg以上。如图二所示：混合型超级电容器结构原理图（图二）混合型结构超级电容器已完全不同于传统的电解电容器，由于特殊的原材料、特殊的制作方法，其单体容量能够超过传统电容器的1000倍以上，在0.8升的体积内就能够达到10000F以上的容量，兼具电池与电容的双重特性，成为一种性能较佳的动力电源，与电池及传统电容比较具有如下显著的性能特点： 充电速度快，充电10秒-10分

10、钟可达到其额定容量的95以上；循环寿命长，充放电循环使用次数可达2-50万次；（无机超级电容/有机超级电容）；转换效率高，充放电过程损失小，大电流能量循环效率90；功率密度大，可达5000W/Kg，相当于铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池的5-10倍；产品无污染，原材料构成、生产、使用、储存、拆解过程均没有污染；安全系数高，性能稳定，长期使用免维护；低温特性好，可工作于摄氏零下40的环境中；检测极方便，剩余电量计量可直接读出。所以，混合型结构超级电容器能满足车辆对高频率、大强度、高循环次数、并符合环保要求的动力电源的需求，在储能领域有着极好的发展前景。2、超级电容公交车系统介绍超级电容公交车系统由

11、电容公交车和快速充电站组成。采用超级电容器储存电能，以电能来驱动车辆行驶，并向车辆所有辅助运行设备提供电能；其车辆基本工作原理与双源无轨电车相似。（如图三所示）快速充电候车站利用无轨电车原直流镇流网或使用电力交流电网电源，经过降压（或升压）、整流后，为电容公交车提供充电电源。由于超级电容器具有非常好的充电接受能力，所以在车辆停靠站时，通过车载快速充电器，利用乘客上下车的几十秒时间即可补充到电能，供车辆持续运行。非常适合固定线路的城市公共交通运行工况模式，是一种以电力为能源的，没有尾气排放，零污染的客运交通系统。可应用于城市固定线路，短途、大客流的公共交通客运和机场、码头、展览中心等专线客运系统

12、。超级电容公交车系统工作原理图（图三）3、超级电容公交车系统技术参数电容公交车主要技术参数：见附表（1），附表（1）：电容公交车主要技术参数名 称技术参数车长12000mm车宽2500mm车高3380mm客门一级踏步离地高（空载）380mm车厢地板离地高（空载）780mm最大总质量 16000kg 最高车速50 km/h起步加速度1.2 m/s2电制动方式动能再生回收，恒转矩制动电制动减速度1.2 m/s2最大爬坡度12%一次充电连续行驶里程5km充电时间1.5min（充电电流200A）交流牵引变频电机额定功率 75KW最大功率 150KW额定转矩 640N·m最大转矩 1280N&

13、#183;m额定转速 1120r/min最高转速 3000r/min变频器控制器工作电压 DC600V额定输出电流 186A最大输出电流 260A频率变化范围 0200Hz超级电容器组工作电压范围 600320V储存能量 4KW·h最大充放电电流 300A剪式受电弓受电模式 双极额定工作电压 600V额定电流 200A最大电流 400A工作高度（柔性） 1300-1500mm能 耗最大电耗（满载空调） 0.98 Wh/1Km快速充电候车站主要技术参数：见附表（2）。附表（2）：快速充电候车站主要技术参数（适用于单一车位）名 称技术参数主变压器输入型式10千伏（380伏）三相四线制*主

14、变压器输出型式六相整流器型式十二脉整流输出电压范围DC 600V680V最大输出电流DC 250A架空触线排离地净高度4.5M4.6M主变压器安装型式地面箱变或地埋箱变*有无轨电车600V/DC供电网则不需要。附表（3）：超级电容公交车电容组件技术指标 名 称 技术参数工作电压320600 V浪涌电压610 V（短时冲击电压）静电容量200 F（容差：±20%）储存能量4800 wh（288V576V）额定功率100 kw峰值功率180 kw组件内阻0.25使用寿命5年组件重量900 kg管理系统 温度管理、故障报警二、超级电容公交车系统设计原则和基本运行方式 1、超级电容公交车系统

15、选择线路及设计原则： 1) 无轨电车线路可改造为超级电容公交车线路；2) 能充分利用无轨电车供电整流资源，减少建站的投资成本；3) 设计线路距各整流站，半径范围为3-3.5公里，以保证供电质量；4) 超级电容公交车运营线路不宜大于12公里；北5) 线路的客流稳定、道路相对平坦、站台相对独立；6) 原无轨电车线路改为燃油公交线路，可利用闲置的供电资源建站建线；7) 线路距维修停车场路程不宜超过5公里（大于5公里加中途充电站）；8) 新的生态居住小区是超级电容公交车线路的最佳选择；9) 公共交通规划的卫星城区的环保型公交线路。2、超级电容公交车系统基本运行方式：超级电容公交车运行时，起讫充电候车站

16、使用DC600V/200A电流通过车载集电弓、大功率充电器对超级电容器组进行充电，充电时间约180秒，在中途充电候车站利用停车上下客进行充电，充电时间为30秒。起讫快速充电候车站的停车充电车位，根据发车频率可设置二个以上车位，中途快速充电候车站的停车充电车位，设置一个车位即可满足运行需求。车辆进站停靠横向偏移范围为0.6米，行进方向距离视充电候车站的车位而定。对运行线路长度小于12公里范围，其充电候车站的间距一般设置为0.8千米-1千米之间，符合城市公交的定站规律。对一些客运专线，其运行距离在2千米以内的，不需设立中途充电站。快速充电候车站的设计，可以根据街道、场馆等的风貌，进行与之相匹配的景

17、观性设计，以突出城市景观效应，在设计时可以融入人性化的理念和文化元素。3、超级电容器车容量配制及充放电时间的计算方法电容公交车整车电容系统储能W=C（U始2-U终2）/2。设充电电流为I、充电时间为t、充电效率为、电容系统的平均电压为U平，则又有：WU平It。即U平It=C（U始2-U终2）/2，设整车电容内阻为R，则得出容量与充电时间的关系式如下：U平It=C（U始- IR ）2-U终2）/2 （1）以400个80000F超级电容器单体串联的电容公交车为例，有：U平=490V =0.9C80000F÷400个200FU始600V R=400个×0.00050.2U终360

18、V。 全部代入（1）式得：490×0.9It=200（600- 0.2I）2-3602）/2，整理后得：4.41It=（600- 0.2I）2-3602 （2）所以，如果充电电流为I250A，代入（2）式可计算出充电时间t157s。同理可计算充电电流I分别为200A和150A对应的充电时间分别为209s和296s。上述充电时间是将电容从360V充到600V的时间，实际车辆在运营过程中往往U始600V而U终360V，故实际充电时间会减小很多。三、超级电容公交车系统运行的商业模式由来1、上海超级电容公交车系统运行及发展情况从2002年开始，上海开始实施“节能减排、节能降耗”的交通节能关键

19、技术攻关布局。公交企业在上海市政府的支持下，结合上海城市建设和道路状况对新型无轨电车脱线运行进行了研究开发，经过6年三轮的技术开发与完善，超级电容公交车制造技术达到了实用化水平，其中又经过张江高科技园区试验线二年5万千米的运行以及新国际博览中心-磁悬浮线7个多月的三辆车共5万千米运行，证明了超级电容公交车的可靠性和安全性完全符合无轨电车的运行标准。2006年8月，在上海老城厢11路开通了世界上第一条超级电容公交车商业示范线，截至2008年8月，共投入17台车，运行88万公里，载客430万人次。预计2008年底运行将超过100万公里。目前，上海正在进行超级电容公交车规模化推广规划，未来几年将有多

20、条线路开通超级电容公交车，更多数量和更高级别的超级电容公交车将出现在上海中心城区和繁华路段。高等级低地板“申科号”超级电容车(图四)已成为2010年 世博会高等级低地板“申科号”超级电容公交车(图四)上海“世博会”交通越江线、浦明线首选方案。 2、超级电容公交车系统的商业模式 超级电容公交车系统的商业化、规模化实施由政府牵头，组织行政主管部门、行业协会、公交企业、整车企业、零部件企业一起参加研发、生产、认证、示范、运营、管理、推广，使围绕超级电容公交车这一新能源车辆的诞生过程成为一条龙的产业链过程，使这一新生事物在形成产业前就得以众人重视并可持续发展。针对新能源车辆的研发、制造成本较高，投入较

21、大，会导致公交企业全额购买，节能减排的成本难以消化问题，通过下列商业化模式在阳光下得以解决。1) 制造过程的商业模式：由市科委对超级电容公交车整车及关键零部件企业给予科技研发项目补贴，首批线路用车采用政府采购的方法，使之能得以先行先试。在打开市场、加大产量，形成批量后，再启动规模化推广项目，逐步减少补贴，起到了政府引领，创造市场的作用，直至总结经验、优化固化、进入规模化推广应用。2) 采购过程的商业模式：在进入规模化推广应用时，由公交企业出资同类型的公交车基本车价，整车及关键零部件企业适当让利一部分，超出部分由交通主管部门利用新能源高等级车辆的鼓励补贴和科技主管部门的研发补贴给予消化。3) 使

22、用过程的商业模式：在新车上牌时，政府主管部门制定政策，享受新能源高等级车辆购置税10%的补贴，减少养路费、附加费的征收，调动公交企业的使用积极性，充分利用环保政策，使企业能够买得起、用得起，同时在三包服务，售后服务上，政府要求生产企业延长三包服务时间并向关键零部件企业购买7年售后服务，让公交企业享受专业技术服务既“技术服务外包”而没有后顾之忧。 4) 充电站建设的商业模式：超级电容公交车运行充分利用现有无轨电车供电资源，在供电建设方面投入小，撤掉现有空中网线，适当改造乘车站和站台上空的馈线就可以完成一个充电站的基础设施建设。而且可以减少繁杂电网维护，所以运营成本更低。由于超级电容公交车在大客流

23、的闹市区运行，充电站建设改造结合政府网线入地建设进行，由政府城市建设基金出资改造。在站点建设中，结合快速充电候车站广告牌设施建设与充电站结合的特点，使招标入围的广告公司基本承担了建设费用，运作的好，可以不投入或少投入建设资金及费用，努力做成多赢的局面，使节能减排的成果得以市场化。5) 市场化前标准建设的支持模式：超级电容公交车商业化示范运营后，市政府主管部门即刻着手制定了一系列标准化建设的后续支持工作。上海市城市建设交通委专门成立了“超级电容公交车推广应用”项目组，研究制定导向政策。由上海市科委牵头通过整车、零部件企业制定了超级电容公交车企业标准、超级电容公交车供电标准、超级电容公交车使用维护

24、保养手册。由上海市城市交通局牵头通过上海交通行业协会制定了高等级超级电容公交电车运行技术要求。由上海市机动车检测中心负责制定了超级电容公交车检测规范。高等级超级电容公交电车基本试验方法由上海公交行业协会制定了超级电容公交车运营规范和超级电容公交车修理规范，使公交企业有法可依，有法可循，解决了使用新能源高等级车辆的后顾之忧。由上海市经委牵头，通过上海市新能源汽车推进办公室调研，编写了上海市新能源公交客车（超级电容公交车）技术经济性分析报告对超级电容公交车的发展、技术成熟度、动力性、安全性、可靠性、舒适性、机动性及基础设施建设维护及社会、经济、环保、效益、城市形象等做出了综合评价，数据详尽、有根有

25、据。为今后推广应用提供了理论依据。3、超级电容公交车系统商业示范的主要成果和重要意义超级电容电动公交车充分利用了超级电容器的独特性能，在保留无轨电车优点的同时，克服了无轨电车机动性差、架空线景观污染的缺点，没有尾气排放，机动性好，噪声低。能够进一步保护环境，减少汽车尾气对大气环境的污染，提供没有二次污染的，真正的零排放公共交通工具，实现十分显著的经济效益和社会效益。上海老城厢11路超级电容公交车商业化运营线，经过两年多的商业化运营，车辆能耗、运行成本、维护保养、单车出勤等指标在统计中突显出可观的经济效益。通过统计分析，11路电容公交车每公里平均消耗电能0.98度/100公里，平均制动再生电能1

26、8.81度/100公里；经过测算，已投入运行的超级电容公交车每年可减少排放一氧化碳38.1吨，氮氧化物17.7吨，节能环保指标突出，综合效益显著。 如果上海每天有1000个公交营运班次使用电容公交车，那么，每年仅制动能量回收一项可节约电能823.87万度，节煤2818吨，这些能源的获取过程，不仅不消耗任何资源，还减少了车辆的机械磨损和维护成本，降低了热量和粉尘的排放，改善了环境质量。同时提升了上海“节能减排、节能降耗”的城市形象和环保理念。探索其商业模式对推动其他新能源车辆的推广和城市公交节能如何走“节能减排”可持续发展之路具有借鉴作用和现实意义。四、 超级电容公交车系统商业模式推广和社会环境

27、支持1、超级电容公交车商业模式为新能源汽车发展做出模式城市的建设和发展离不开高效的城市交通，发展公共交通事业，构筑一体化公共交通体系，是缓解上海城市交通矛盾的关键，也是上海建设现代化国际大都市的重要条件。目前上海拥有公共汽车18214辆，经营的公交线路总长度超过了2.2万多公里，日均载客人次达790万人次，车辆配备数、线路总长度和日均载客人次均为“世界第一”。上海所面临的能源挑战和环保压力要求上海必须大力发展清洁、环保的绿色公交。上海城市交通“十一五”规划纲要中，明确提出积极发展低能耗、环保、舒适的新型公交汽电车。 目前上海无轨电车共计 477辆，共15条线路，总里程142公里，全部分布在上海

28、繁华地段，无轨电车占公交车总量的2.6%,确要承担总客运量的8.9%。 无轨电车在近100年的时间里，也为上海的公共交通和城市空气质量的保护发挥了重要作用，对无轨电车简单的淘汰已成为电车工作者和广大市民的心头之痛。采用超级电容器等先进技术促进无轨电车的技术提升、功能完善，将是无轨电车重新焕发青春的关键。近年来，随着能源短缺和环境污染问题的日益突出，无轨电车在欧美许多著名城市掀起了“回归”的热潮。但是无轨电车的回归不是电车的简单复制建设，世界各国都在技术创新方面进行了许多有益的探索。上海超级电容公交车系统商业模式就是一种创新，也吸引了国内外同行及政府的广泛关注，超级电容公交车商业模式为上海新能源

29、汽车发展做出了先行模式和有益探索。2、超级电容公交车系统商业模式的社会及环境支持作为中国经济发展领头羊的上海，由于现实条件限制，能源问题尤为显得突出，主要表现在：1) 上海能源资源的缺乏。上海基本没有一次能源资源，所需能源资源依靠外省调入或进口，在国内外能源趋紧的情况下，获得稳定可靠的能源资源、保障经济发展，是十分艰巨的任务。 2) 土地和岸线资源的不足。上海土地资源紧缺，能源基础设施的选址困难，缺少能够满足建设大电厂及能源接卸存贮设施要求的码头岸线资源非常有限。 3) 上海发展地理条件制约。上海地处长江三角洲的顶端，市外来电通道建设受到限制，而且不利于电网结构的坚固。市内没有建设核电站址的条

30、件。 4) 上海环境容量的限制。大量机动车数量的增加，给大气环境保护造成影响。在能源消费不断增加的情况下，大幅削减二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）等污染物排放量的压力较大。能源已经成为限制上海经济发展的瓶颈。2006年12月上海市发改委发布的上海能源白皮书，明确提出上海要立足于增强城市国际竞争力，实现能源可持续发展。更重要的是要力争在新能源、能源节约与洁净利用等领域的关键技术上取得重大突破。伴随着经济的快速发展，城市“机动化”的大趋势不可逆转，污染问题日益突出。如何使城市获得良好的空气质量、市民获得良好的环境体系、制造企业获得更好的经济利益、公交企业获得创新成果的实用车辆、政府如何引领创新产业的推广是摆在政府和主管