锂离子动力电池电动客车运行可行性及技术经济性分析

PAGEPAGE27内部资料，会后收回研究报告研究单位：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：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。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。在繁华市区，可关停内燃机，由电池单独驱动，实现“零”排放。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。可以利用现有的加油站加油，不必再投资新建基础设施。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：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。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。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。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）7367676630（4速）70697066加速35（3速）8175726630（4速）76727166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25.43474010-35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45~5080-60s93km55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21．617．2S19．3S0．84m0．37m/s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6~93.5%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：=1\*GB2⑴实际理论V(km/h）p实际理论V(km/h）p图2平均车速分布概率实际与理论对比P图1平均车速统计分布V（km/h）13710161922252831343700.020.040.060.08402.1.2.4工况参数统计结果及分析图4.平均加速度和平均减速度加/减速度(m/s2)图4.平均加速度和平均减速度加/减速度(m/s2)ad美国加州美国US75日本11工况某路1平均值欧洲15工况某路2某路3某路4某路5某路6美国加州美国US75日本11工况某路1平均值欧洲15工况某路2某路3某路4某路5某路6图6.各种行驶模式时间百分比百分比PdPcPaPi美国加州美国US75日本11工况某路1平均值欧洲15工况图3.平均速度车速(km/h)V1V2某路2某路3某路4某路5某路6美国加州美国US75日本11工况某路1平均值欧洲15工况某路2某路3某路4某路5某路6图5.一个行驶周期平均行驶时间时间(s)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。=2\*GB2⑵图7行驶工况计算模型时间(s)速度(km/h)ⅠⅡⅢ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图7行驶工况计算模型时间(s)速度(km/h)ⅠⅡⅢ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)0~17130.3630~22170.3590~31170.50617200221503178017~07-0.67622~09-0.67931~012-0.71801000900130表6行驶工况模型与实测统计数据的比较参数V1，km/hV2，km/hT，sa，m/s2d，m/s2实测统计数据19．1722.1662.50.4330.697行驶工况模型18.1821.2762.70.4090.691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。电池序号电池序号电压/VV图8不同放电深度电池电压分布图3.003.403.804.200102030405060充电后放电40~50%终止放电图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。电压V/V时间t/min图11单电池放电电压随电流变化曲线2.80电压V/V时间t/min图11单电池放电电压随电流变化曲线2.805101520253035455051015202530354550时间t/min电流I/A3.23.64.0004080120160图9串联锂离子电池电压不一致性电压V/V0204060801001201403.13.23.33.43.53.63.73.8时间t/s020406080100120140020406080100120时间t/s电流C/A图10并联锂离子电池电流不一致性02040608010012014001030204050607080时间t/s电流C/A020406080100电压V/V120140200250300350400450时间t/s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4.154.174.194.214.114.154.174.194.214.114.134.094.070.00.30.10.2概率Probability电压Voltage4.154.174.194.214.114.134.094.070.250.000.050.100.150.203个月3Months4.154.174.194.214.114.134.094.070.000.050.100.150.20图12电压不一致性统计结果概率Probability概率Probability1个月1Months5个月5Months电压Voltage电压Voltage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Time1个月(1Month)2个月(2Months)3个月(3Months)4个月(4Months)5个月(5Months)均值Mean4.15274.15314.15474.15804.1663方差Variance0.0002430.0003830.0005690.0007050.00104以统计计算所得的各月均值和方差作为正态分布概率密度函数的均值和方差，可以得到概率密度曲线族，如图13所示。5条曲线随峰值从上而下依次按月以时间顺序排列。随时间增加不一致性成扩大趋势。图13电压不一致性分布的概率密度函数曲线电压Voltage(V)f(x)为更好的说明电池不一致性分布情况遵循正态分布规律，运用(卡方)拟合优度检验方法对电池组不一致性理论分布进行正态性检验。把统计过程中单电池电压范围3.95～4.25V以0.01V为区分度划分为31个区间进行统计，所以令的自由度，在统计分析中，均值和方差都是未知量，所以，假设检验的显著性水平，在分布表中查得。计算公式为图13电压不一致性分布的概率密度函数曲线电压Voltage(V)f(x)(1)其中为统计样本的分类数，为第类实际观察频数，为第类的理论频数。根据公式(3.21)计算各个月份的值，计算结果如表8所示。计算所得结果均小于，所以可以肯定电池组不一致性分布概率用正态分布来拟合是合适的。表8不同月份计算表月份1个月2个月3个月4个月5个月32.89228.92531.18119.62427.587通过对电动汽车用不同类型铅酸电池组和锂离子电池组大量数据的统计，在不同加工工艺制造的电池中都存在上述不一致性发展的统计规律。不同类型电池仅在不一致性发展速度上存在差别。2.2.4电池不一致性对电池组使用寿命的影响二次电池使用寿命定义为一定的充放电率下电池容量衰减为额定容量的某个百分比时充放电循环次数。在此定义下，假设电池每次充放电容量衰减为定常线性函数，经过次循环后，电池容量可以表达为(2)式中，为经过次循环后电池的实际容量；为电池使用寿命；为电池到达使用寿命后容量衰减百分比；为电池初始能量。如前所述，在电池成组使用时一致性是相对的，不一致性的存在是绝对的。由于电池容量不一致，在电池组使用中部分单电池容易出现过充和过放情况。过充电或过放电都会对电池造成损伤，致使电池的实际容量值衰减。第次使用时，受损伤电池容量可以用下式表示：(3)式中，为循环使用到第次时电池的容量值；为第次使用相对于第次容量差；为第次使用电池过充过放容量损伤系数，是的函数。由式(3)可以推论得到式（4）(4)令则在不一致性影响下电池组第次使用时，理想的电池组容量为，(5)综合考虑上述电池第次使用理论容量公式和不一致性影响下电池容量衰减公式，可得电池第次使用实际容量表达式。(6)假定容量损伤系数，以200Ah锂离子电池为例进行计算，根据厂家提供资料，按电池的实际容量衰减到70％额定容量时为寿命终止，正常DOD为80％电池循环寿命为1200次，根据公式(6)此电池第次循环实际容量可以表示为：(7)由式(7)可得，当时(8)由此可见，此电池组中部分单电池使用寿命大大缩减。在计算中损伤系数取为定常系数，并取为最大值。而实际上也是一个急剧衰减的时变函数，根据前述不一致性扩大原因分析，电池不一致性将导致电池组内其它单体发生多米诺骨牌效应的连锁反应。因此由于电池不一致性的存在，若不对电池组进行及时的维护，其实际使用寿命将缩短为单电池寿命的几分之一甚至十几分之一。2.2.5提高动力电池一致性既电池成组原则和匹配方法1）电池制造厂提高工艺水平，保证电池出厂质量，尤其是初始电压的一致性。电池出厂前，以电压，内阻为标准对电池进行筛选，以此来保证一批电池性能尽可能一致。2）同一配组的电池必须使用同一厂家同一型号的电池。3）对应电压不一致性发展趋势，在使用过程中定时测量单电池电压分布情况，对电池组中电压处于两端的电池及时进行调整更换，以保证电池组的不一致性不随使用时间而增大。4）对电压测量中电压偏低的电池，进行单独充电，使其性能恢复并可以在其他电池组中应用。5）间隔一定的时间对电池组进行小电流涓流充电，促进电池组自身的均恒。6）避免电池过充电，尽量防止电池深放电。7）加装电池组能量均衡系统，对电池组充放电进行智能管理。2.2.6电动汽车动力电池的维护保养、合理的充放电机制1）使用具有高的测量精度和准确性的电池管理系统，以准确地反映各电池的状态2）及时发现电池组中的落后电池，进行单独恢复性充电，并更换性能无法恢复的落后电池3）采用行车间隙大电流充电代替深放电后才充电的方法。大电流充电虽然对电池寿命有影响，但是及时地对电池补充能量有效的防止了由于电池深放电和一致性差引起的部分电池过放电，从而可以延长电池组的使用寿命，而且由于可以较快的对电池补充能量，可以保证电动公交车有较好的加速能力和较高的行驶速度，从而保证其正常运营，提高车辆兑现率。示范运行的实践证明行车间隙大电流充电利大于弊4）每隔一段时间对电池组进行小电流维护性充电，促进电池组自身的均衡和滇池性能的恢复，并弥补由于间隙大电流充电对电池造成的极化等问题5）严格避免电池过充电和过放电6）每一个月手工测量单体电压并做好记录，和电池管理系统的测量值进行比较，如果偏差超过0.05V，对电池管理系统重新进行标定7）每三个月检查一次电池箱，查看并确保电池连接良好，防止因连接松动而引起的发热，连接电阻增大及对电池的影响；查看并确保电池固定是否良好；查看电池组间是否短路活者是否存在短路隐患，如有应立即排除；查看是否有电池变形、漏液等异常情况，如有则应立即更换8）电动汽车长期停运前要对电池组进行补充充电，重新运行前要进行均衡充电3锂离子电池电动客车经济性分析3.1电动汽车使用及充电运营经济性分析3.1.1从电动汽车使用者角度的经济性分析电动汽车使用者是整个电动汽车发展的直接拉动者，良好的经济性是吸引他们参与，顺利推行电动汽车，避免市场动荡的有效手段。现阶段的车辆使用环境下，尽管电动汽车有着良好的社会效益和显著的环境效益，但其高额的使用成本限制了电动汽车的推广使用。传统汽车使用者在使用汽车过程中所负担的成本可以按其性质划分为两个部分：固定成本和变动成本。固定成本通常包括购置（或改装）汽车一次性支付的汽车价格及价外收费（包括增值税、消费税、关税及其它各项管理费用）；变动成本则包括燃料费用、与燃料使用量有关的各项支出以及日常维修费用。对于电动汽车使用者来说，除了以上支付的有形成本之外，还要承担由于与电动汽车相关的基础设施建设滞后带来的使用不便、技术相对不成熟而造成的质量和安全隐患等无形成本，同时也享有维修保养方面带来的潜在收益。显然，汽车使用者作为经济个体来说，他的决策将以个体效用最大化为目标。针对电动汽车的特点，目前分析电动汽车对于普通用户来说经济性程度主要在于以下几个方面。⑴购置成本电动汽车的购置成本相对传统汽车偏高，这是由当前高额的研发成本和生产成本决定的。研究费用高电动汽车作为一项高新技术产品，要在技术上取得突破，需要的研究开发费用相当高。从欧、美、日等国家的经验来看，其投入都以数十亿美元计算。如通用汽车试制第一辆冲击型概念车的费用高达300万美元；日本东京大学等试制的第一辆IZA样车，总投资为400万美元；我国的概念车研制费也高达数千万元。为降低研究开发费用，世界各国进行了诸多方案比较，得出一个比较一致的结论是：为了进行电动汽车的技术性能研究和实验，用电动改装车进行研究开发比用电动概念车经济得多，其中美国专家的结论是：可以节省2/3的资金。北京市目前也正是走了改装车研究的道路，已投入121路实际运行的电动公交车就是在汽油原型车的基础上经研发、改装、试制而来，这样既降低了投入又节省了时间，符合中国国情。生产成本高汽车作为机电一体化的产业，其初期投入非常巨大，国外开发一辆新车的模具费投资就达十亿美元。因此，汽车产业追求的是规模效益，国际上通常认为年产30万辆才达到盈亏平衡点。在电动汽车处于研究开发和推广应用时期，无法发挥规模效益的作用，车辆本身的生产成本就已经达到同等级燃油汽车的2～3倍，只有转入大批量生产后，其生产成本才有可能接近燃油汽车水平。⑵使用成本从理论角度分析，技术成熟、产业化后电动汽车的使用成本应大大低于传统汽车。能源消耗费用低在目前的电动客车和燃油客车技术水平下，每百公里的电费成本大致在燃油成本的50%-75%之间。如果考虑了峰谷电价和开征燃油税的影响，电动汽车的燃料耗费会更经济。维修费用低按照工作状况分析，燃油机车的内燃机是在高温条件下工作，容易损坏，维修工作量大、费用高；电动汽车的电动机是在常温条件下工作，可靠性高，维修工作量小，费用较低。⑶电动汽车电池费用目前，影响电动汽车使用成本的一个主要问题就在于车用电池的使用寿命以及由此带来的电池费用方面。在北京电动公交车的试验运行中，先后使用了数批铅酸电池（10万元/车组）和锂离子电池（42万元/车组）。从试验结果来看，车载铅酸电池的技术较为成熟，但各项性能指标较低（主要是续驶里程）；锂离子电池的性能较好，但是也还存在一些技术问题，如充电电压受温度影响大等。总体来看，电池的费用仍是大幅度提高电动汽车使用成本的最关键因素。3.1.2从充电站运营商角度的经济性分析电动汽车运行需要专用的充电网、站、充电设备和停车场，充电设施的成本主要包括充电机、配电系统及控制系统等。这些条件目前尚未形成社会服务体系，如果计入运行成本，而且上路的电动汽车数量很少时，其运行成本将迅速提高。这是当前制约电动汽车发展的重要影响因素。充电设施是电动汽车市场化的颈瓶之一，建立健全的电动汽车充电网络与安全的充电系统，对推动电动汽车的市场化发展有极其重要的意义。市场对充电设施运营商的影响，可以用图14表示。RRCPNN1OABγ图14充电站的成本收益图示纵轴OP代表充电站或维修厂的成本或收益，横轴ON代表它们为车辆服务的服务费，γ角的大小间接反映了充电站服务收费的高低。图中原点处收益为零，OA为企业的建设及固定支出，ABC则表示企业的总成本曲线。随着车辆数目的增加，收益增加的速度要大于可变成本。所以，必须保证其服务的车辆数达到一定的数量，充电站才能有一定的收益，才能赢利。为了提高电动汽车使用的便利性，必然要建立一定数量的充电站，形成一定的充电网络。为了使充电更加容易达到盈亏平衡点，可以采取两种办法。由图2-1可以看出，增大γ角或者降低AC线位置都能使交点B的横坐标N1减小。增大γ角在实际中就意味着增加每辆车缴纳的服务费，或者是提高电力价格。显然，这样做虽然暂时维护了充电站的利益，但却阻碍了整个电动汽车市场的发展，从长远来看，还是损害了充电站的利益，因为使用者会因为电力价格太高而不愿意用电动汽车，则充电站会因用户数量的减少而无法维持。降低AC线位置意味着降低充电站的建设及日常运营成本。因此，电动汽车发展过程中，确定合理的电动/服务价格，有效地控制相关运营企业的经营成本，对电动汽车的推广有着很大的影响。所以在电动汽车的市场化初期，充电站的建设不应该以盈利为主，政府应当把充电站建设作为基础设施，给予财政支持与政策倾斜，使得电动汽车使用者能够便利的选择多种方式进行充电，为电动汽车的市场化推广创造良好的基础设施条件。3.1.3从电力供应商角度的经济性分析电动汽车的电池可在夜间利用电网的廉价“谷电”进行充电，不仅促进电力市场的消费，还有利于平抑电网的峰谷差。⑴拓展电力市场电动汽车业的发展将开发出新的电力需求市场，虽然中国的电动汽车发展起步时间较晚，但是拥有着广阔的发展空间和强大的发展潜力。目前，汽车市场被国际高位油价及原油短缺所逼迫，成本持续上升，经营甚为艰难，不少城市政府采取补贴办法应急，但终非良策。若将城市公交车等在市区内行驶的原燃油车辆电动化，则上述车辆日常运行成本大降，同时对城市降低噪声，减少尾气排放均可立竿见影，而且还将很大程度上拓展了电力市场。随着电动汽车技术的不断发展，日后电动汽车在出租车、商务用车、家庭用车等市场的推广，电动汽车数量还将逐年增加，市场前景十分广阔，对促进电力市场消费，带动电力市场的发展具有重要的意义。⑵平衡用电电动汽车充电可以以夜间低谷时段为主，电动车的用电增长不会给电力系统带来过大的增容的压力，反而对电网的经济运行十分有利。电动汽车市场化推广之后，谷电的大量应用将缩小峰谷之间的比率，大幅度提高电力资源的利用效率，有利于国民经济健康发展。3.2锂离子动力电池电动客车示范运行经济性分析3.2.1电动汽车成本分析电动汽车的成本包括研发、生产、销售过程中所发生的直接费用和间接费用以及用户的购车成本、使用成本和维护成本，参考北京市电动汽车示范运行的试验数据，综合考虑各方面因素，可以得到电动汽车和同型号燃油汽车的价格对比如表9所示。表9电动汽车与燃油车全寿命每公里费用比较序号项目电动大客车序号项目燃油大客车一、车辆折旧费一、车辆折旧费1．车辆售价（不含电池）146万元1．车辆售价152万元2．车辆行驶里程30万公里2．车辆行驶里程30万公里3．车辆折旧4.87元/公里3．车辆折旧5.07元/公里二、电池系统费用1．电池总价16万元2．折旧费3.87元/公里三、能耗费用二、燃油费用1．平均能耗96度/100km1．平均油耗量30L/100km2．电价0.44元/度2．燃油价格４.0元/L3．行驶费用0.42元/公里3．能耗费用1.20元/公里四、车辆维修费0.4元/公里四、车辆维修费0.9元/公里五、合计9.56元/公里五、合计7.17元/公里在表9计算中，电池寿命按照863电动汽车重大专项要求，设为10万公里。电池价格参照现行价格，若电池价格可以下降1/3或寿命提高到15万公里，不考虑环境政策等因素，电动汽车全寿命使用成本将同燃油车辆相同。电池使用后的回收残值因无可靠的资料可以参考，所有在计算中未涉及。电价也未考虑晚上充电而带来的价格优势。3.2.2锂离子动力电池电动客车使用经济性分析3.2.2.1电动客车收入分析（1）电动汽车的直接营运收入在实际运行中，在电动客车使用方式和运营里程与燃油客车大致相仿的情况下，直接的客票来源收入两者目前大致相当。在公交车运营中，还有一项重要收入是来自车身广告。作为流动的媒体，公交车的广告效应日益被商家看好。通过调研，现北京市每辆公交车的广告收入可达每年10万元以上，电动客车目前具有较好的广告效应，可以大力开拓这块收入渠道。（2）电动客车的间接营运收入在对电动客车的经济效益进行衡量时，还应对电动客车的技术效益、能源消耗和环境保护等方面进行综合分析，即考虑电动汽车的间接运营收入。具体电动客车间接营运收入分析所包含的内容如图15所示。对于这方面的收入，可以从国家对电动客车的政策倾向和税收优惠体现。随着环保观念日益深入人心，将增加电动公交车的乘客满意度，从而进一步提高电动公交车的收入水平。图15电动汽车间接收入评价电动汽车间接收入生态效益图15电动汽车间接收入评价电动汽车间接收入生态效益社会效益大气环境效益噪声环境效益技术进步人类健康影响相关产业发展3.2.2.2电动客车运营成本分析=1\*GB2⑴购置成本。根据我国目前的规定，大客车的使用期限为8-10年。若每年按330个使用日计算，则每辆车每天的购车费用为A＝购车原值/3300。在863电动汽车项目指南中规定，电动汽车的成本为同级别汽车成本的130％，考虑使用周期内，电动汽车用的动力电池需要更新，按3年更新一批电池计算，共需电池3.3批。电池组占整车成本约20～30％。这样在整个寿命周期内，电动客车成本为同级别燃油汽车成本的200％。=2\*GB2⑵动力费。车用燃油价格和电动汽车用电价格费用随市场价格变化而变化，但也有相对稳定的时段及幅度，可以推算出每年每日的动力消耗费用。BFC6110电动客车电能消耗约为0.9－1kwh/km。同级别大客车油耗约为24－28L/100km。按现在的电价和汽油价格计算，电动客车约为0.45~0.5元/km，传统大客车约为0.9~1.1元/km。电动汽车的动力费用约为同级别大客车的50％。=3\*GB2⑶润滑油费。电动客车需要长期采用润滑保养的部件明显少于传统汽车。同传统汽车相比，在电动客车上这部分费用基本可以省略不计。=4\*GB2⑷冷却费。在电动客车上，电机部分采用自然风冷，在有冷却系统的电动客车上，系统布置也比传统汽车简单。粗劣估计电动客车的冷却费用为传统汽车的30～50％。=5\*GB2⑸工资。驾驶员和售票员的工资，此部分成本认为电动客车和传统汽车基本相当。=6\*GB2⑹维修费。由于电动客车的总体结构比传统汽车简单，可靠性高，维修费用为传统汽车的50～70％。⑺每车每日所分摊的外管费。指社会管理部门向公交企业收取得各种费用。如：税费、养路费、土地使用费、保险费、审验费、安管费等。以上六种费用由政府部门掌握，政府可以采取优惠政策，扶持电动客车的使用。⑻每车每日所分摊的内管费。包括各级管理人员的工资，除车辆以外的所有固定资产的折旧，办公费用和宣传、广告、公关等的费用。此项费用电动客车和传统车辆基本没有差别。以上对电动客车运营成本进行了详细分类说明，其构成系统框图如图16所示。其中第一到第六项为直接运营成本，第七和第八项为间接运营成本。在以上分析中，假设间接运营成本电动客车和传统燃油客车相同，不考虑任何政策优惠和电动客车的环保效益。在直接运营成本中，电动客车的动力费、润滑油费、冷却费、维修费都明显低于传统汽车，而这几部分占车辆运营使用日常费用很大的比重。在汽车使用的全寿命范围，运用全寿命费用效能的方法分析，电动客车的日常使用费的降低可以在很大程度上弥补初始购置费用高的缺点。图16电动汽车运营成本构成系统框图图16电动汽车运营成本构成系统框图电动汽车运营成本办公费用固定资产折旧车价动力费润滑油费冷却费工资维修费税费保险费安管费审验费管理人员工资间接运营成本公关宣传等费用直接运营成本外管费内管费3.2.3电动客车社会效益集中表现在以下几个方面：=1\*GB2⑴污染小。无论从直接还是间接污染来说，电动客车均是理想的“清洁车辆”；从噪音的角度，通常认为电动汽车比同类燃油车辆低5分贝以上。如大规模推广电动车辆将大幅度降低城市噪音。=2\*GB2⑵节约能源。以电网电力为动力的电动客车跟燃油公交车相比能量利用率至少提高6%,节能意义重大。=3\*GB2⑶改善能源消耗结构。石油作为重要的能源和化工原料，节油对我国国民经济发展和能源安全有重大意义。目前，我国交通运输约占石油总消耗的一半。由此可见，使用电动车辆对较少是有资源的消耗具有举足轻重的影响。=4\*GB2⑷改善电网负荷。利用夜间对电动客车充电，现有电网容量已经能适应若干年电动汽车发展电能需求，不但有利于降低电动汽车的内耗成本，也有利于电网的峰谷平衡，减少为维持电网低负荷运转而引起的费用。电动汽车是汽车业未来发展的方向正在被越来越多的人所认识。作为绿色环保汽车，电动汽车使用电池作为动力，在运行中接近“零排放”，既减少了环境污染，又缓解了能源压力，而且还赋予中国落后的汽车业以赶超世界先进水平的机会。随着我国经济的快速发展，我国在世界上的经济地位迅速提高。与国外的交往日益增多。尤其是北京，作为我国的首都，是国际化的大都市，经常性的国际会展活动频繁，接待国内外的上层人士的任务繁重；2008年奥运会是世界各国进一步了解中国了解北京的绝好机会，电动客车的发展和较大规模示范应用也为在环保与节约能源上与国际接轨，树立良好的国际形象做出了一定的贡献。4锂离子电池电动客车奥运运行可行性分析4.1锂离子电池电动客车运行经验分析从北京市121电动公交车线路示范运行、密云电动汽车区域示范运行、北京理工大学班车示范运行等相关电动汽车运行的实际情况看，虽然电动汽车的经济性水平与传统燃油汽车相比目前还无法达到可以接受的程度，但当前我国的电动汽车技术水平已经具备了一定规模、一定组织方式下的运行条件，通过合理组织和筹划，创新运营模式，在奥运期间进行一定区域和线路的较大规模示范运行已经具备了操作的可行性。具体来说，北京市电动汽车示范运行的相关经验包括：⑴电动公交车在车辆性能上，如加速性、爬坡能力、最大车速等方面可以完全满足城市公交的运行需要，达到或接近同等燃油车辆的水平；⑵在车辆续驶里程上，电动客车与燃油客车还存在较大差距，但通过合理组织，选择适当的车队运行机制和充电模式，可以在一定程度上缓解续驶里程短带来的车辆使用率低、运能低的压力。在现有的技术条件下，电动客车的续驶里程已经完全可以支撑一定区域范围内的公交日常运行；⑶由于消除了发动机噪声、尾气零排放以及平稳的起步停车等因素，使得电动客车在乘坐舒适度等方面明显优于传统燃油汽车，适合“绿色奥运、人文奥运”的要求；⑷在车辆使用经济性上，单纯考察能耗水平和能源价格，电动客车的燃料成本较燃油车辆节约近50%，考虑到运行的试验性和车用电池的费用，电动客车的综合使用成本则高于燃油车辆。综合环境效益和社会效益及能源环境等社会问题的长远发展，纯电动汽车运行前景广阔。北京市121电动公交车线路示范运行、密云电动汽车区域示范运行、北京理工大学班车示范运行等一系列电动汽车示范运行的经验和相关技术经济性数据表明：⑴作为国内首支在实际工况下、准商业化运行的电动公交车队，121路电动客车运营示范专线的开通和正常运行，标志着北京市、我国电动汽车项目取得重大进展，电动客车技术已基本达到可用化水平。⑵各种类型、各种方式电动客车的示范运行，对我国电动汽车关键技术研发的成果进行了充分检验，运行示范所取得的大量统计数据以及暴露出的各种问题，为电动客车奥运期间的运行组织、技术保障等积累了丰富的经验。⑶基于电动客车的技术特征和示范运行的紧迫性，为进一步推动电动汽车的发展，必须针对电动客车示范运行中以及以后的产业化推广中的实际困难提供相应的配套支持，给予一定的政策优惠，如：对参与企业给予适度的经济补贴、对电动客车实行用电优惠等。4.2奥运电动客车运行验证奥运电动客车运行采用了经过充分前期运行试验的北京理工大学、公交集团公司共同研制的BK6122EV型纯电动客车。自2008年7月1日准备阶段开始，至9月20日截止，50辆奥运电动客车陆续投入到了奥运的载客运行工作，累计运行里程达131288km，累计载客量达145526人次。其中，8月8日奥运开幕式当天累计运行2898公里，电池更换50次。整个奥运运行期间，50辆奥运电动客车圆满完成了奥运电动车队奥运村、媒体村等的奥运运行，共累计运行89513公里，期间除部分机械系统等方面的故障外，未发生造成运行中停驶的重大故障，做到了奥运电动公交车队的持续、可靠运行，充分显示了我国电动汽车技术研发、运行组织的综合成果，集中体现了北京“绿色奥运、科技奥运”目录TOC\o"1-4"\h\z\u