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王小磊：高级工程师，曾经任重庆市公共交通控股（集团）有限公司电车公司总工程师、BRT公司书记兼副总经理、公交维修公司总经理、恒通客车顾问等。现任吉尔吉斯斯坦共和国史德洲（Шыдыр Жол Кей Джи）有限责任公司总机械师。

纯电动公交车的运行与维护

王小磊

 

　　摘要：纯电动公交车（简称：电动车）技术已经逐渐成熟，并开始成为城市公共交通的主力。由于电动车的特殊结构，其运行与维护（运维）也成为热门话题，本文拟从公交使用者的角度，对电动车的运维进行讨论。

　　1.纯电动车的主要部件

作为电动车的使用者，不需要刻意的弄明白电动车完整的理论，对可能影响安全使用的主要部件，还是要掌握一些必须的知识，以帮助安全、合理的使用与维护。

1.1 储能器

传统公交车的能源就是油箱（或气罐），电动车就只能用储能器了，目前电动车的储能器分别由电池、超级电容等组成，这里仅对电动车常规配置的储能设备进行简要介绍：

1.1.1 电池

因为能量密度、价格等因素影响，电池仍然占据着电动车储能器的主导地位，对此就目前常用的几种电池作一简介：

a) 磷酸铁锂：磷酸铁锂是磷酸铁锂离子（LiFePO4）电池的简称。磷酸铁锂电池的标称电压是3.2V、终止充电电压是3.6V、终止放电压是2.0V。由于各个生产厂家采用的正、负极材料、电解质材料的质量及工艺不同，其电池的容量可能有10%～20%的差异。磷酸铁锂电池的能量密度为：150Wh/kg；温度使用条件：充电时−10℃～55℃；放电时−20℃～60℃。

b) 三元：三元聚合物锂电池是指正极材料使用镍钴锰酸锂（Li（NiCoMn）O2）三元正极材料的锂电池，简称三元电池。与磷酸铁锂相比，三元锂电池的能量密度（220 Wh/kg）高些，低温性能、体积、放电线性均较好。但稳定性较差，遇突发事件（碰撞、水、高温等）较磷酸铁锂更可能产生明火。随着电池技术的发展，各种三元电池产品趋于成熟。今年6月6日工信部发布的第69批《新能源汽车推广应用推荐车型目录》中，配置三元电池的电动车占了69%。

c) 钛酸锂：钛酸锂电池（LTO）是一种用作锂离子电池负极材料-钛酸锂，可与锰酸锂、三元材料或磷酸铁锂等正极材料组成的锂离子二次电池。钛酸锂电池具有较好的温度性能（-40℃～+60℃）和高安全性、高稳定性、长寿命等优点。其最大的劣势是能量密度低（170Wh/Kg），成本高。

1.1.2超级电容

超级电容是从上世纪七、八十年代发展起来的。是一种介于传统电容器与电池之间，主要依靠双电层和氧化还原电容电荷储存电能。超级电容器的充放电过程始终是物理过程，基本没有化学反应。因此性能是稳定的，与完全利用化学反应的电池不同。超级电容既能像静电电容一样具有很高的功率，又能像电池一样具有很大的电荷储存能力，使得这两种元件之间找到了一种最佳结合点。由于其放电特性与静电电容更接近，所以仍然称为“电容”。超级电容使用环境的温度范围宽（-40℃～+70℃），比一般电池的-20℃～60℃具有明显优势；但能量密度较低（41Wh/kg），以及价格与电池相比较高，都是其硬伤。

1.2 电控

在电动车上，通常将管理电池中的电能与电机之间的流向、传递速度；并且还能控制刹车时回收的能量通过发电机给电池充电以及为电动车充电的称为功率控制单元（Power Control Unit，PCU）。PCU是电动车最复杂的部分，它包括：整车控制器、电池管理系统（BMS   ）、电机控制器，这些控制器、BMS由车载计算机局域网（CAN）连接起来进行工作。

a) 整车控制器：根据车辆的不同状态，以及“油门（加速踏板）”、刹车（制动踏板）等信号源，通过协调各控制器的工况来满足车辆行驶的需求，其作用就是电动车的“大管家”；

b) BMS：电池管理系统是通过对车载电池的测量，来防止或避免电池过放电、过充电、过温等异常状况出现。近年来，新技术的不断运用，BMS的功能有较大的扩展（如电池的：安全预警、热管理等）；

c) 电机控制器：通过接收整车控制器的指令，控制驱动电机的扭矩、转速和转动方向，来完成起停、加减速，爬坡、巡航等功能。并且兼具制动时，制动时回收制动能（再生制动器）的功能。

2.选型与运行

2.1 选型

“里程焦虑（Range anxiety）”似乎是电动车的短板，实际上对定线往返行驶的的电动车而言是相对的。在具备充电电源条件的场站（如有些城市的无轨电车整流站附近），或者在具备“分布式”充电的条件时，就可以选择配装钛酸锂电池或者超级电容等“快充”储能器。反之就只能选择三元或磷酸铁锂等“慢充”储能器。因此，电动车储能方式的选择，在购车前的规划与选型非常重要，其它公交车就没有如此突出。作为电动车的最终用户，也没有必要刻意的去理论“快充”与“慢充”，适用就最好。

2.2 运行

a) 智能化：按照《GB／T32960.1-2016 电动汽车远程服务与管理系统技术规范》电动车智能化管理系统已经成为标配，。如果将电动车储能器容量消耗数据与远程管理系统连接起来，在储能器电量即将消耗至最低值时，及时提醒驾驶员并为其制定充电位置，使车辆不因为过度放电而损伤储能器元件。实现这些功能，只要对软件进行调整即可，但对于公交用户却能起到减少空驶里程和“待班”时间，对于采用“快充”方案的电动车尤为重要。

b) 应急预案：虽然在采购电动车前，对车型是否适应该线路（路况、涉水、坡度等）、该车（储能器）续航能力是否满足运营条件（开空调、超载）等都有规划。但遇突发事件可能引起路堵（如果凑巧又是极端天气情况），可能使电动车的电量储备不能维持到下一个客运高峰结束，将导致片区或线路公共交通运力不足，要求公交企业必须根据当地的实际情况制定相应的应急预案来进行补救。

3.维护

由于电动车生产商都有包8年的约定，其它机械部件的维护，对公交企业而言应该是“驾轻就熟”。因此，与传统车相比，电动车的日常维护相对简单。不过，一些关键部件的日常维护却是不能忽视的：

3.1 充电抢

按照国家标准（GB/T20234.3），我国采用9个接触点的充电枪，在使用过程中，有大电流通过的DC+、DC-触头接触部最容易因各种原因烧蚀，如果一台充电机的这类触头出现轻微烧蚀，则可能导致恶性循环，使整个车队以及使用该充电机的所有电动车的充电座损坏，因此检查充电枪触头（包括插座）完好，应成为电动车充电前必须的工作，一经发现触头损坏应立即更换。

3.2 热管理：

此处的热管理是从使用的角度，在遇到突发事件、环境等因素影响，可能导致电动车运行温度超过容许的温度时的管理。电动车是属地化运行的，对于公交用户而言，除了在购车时将所在地区的环境条件告知整车厂外，还应在使用时注意，不能使储能器温度过高。高温下运行，最危险的就是储能器，一旦出现高温预警，应立即停车检查，否则可能导致火灾事故。

4.发展趋势

4.1 一体化PCU

行业内已经出现不少对整车控制器与BMS功能进行整合，以及PCU一体化的成功案例，其充电过程与于无轨电车辅助能源系统充电系统，充电流程中的通信在系统内完成，可以不用充电枪，比较方便的直接用外接直流电源充电。由此避免了充电接口触头烧蚀的故障，充电操作更安全、快捷，也更容易实现智能化。

4.2 碳化硅

自电动车诞生起，PCU的核心部件一直是采用的IGBT（绝缘栅门极晶体管Insulated Gate BipolarTranslator）。近年来已出现被SiC（碳化硅Silicon Carbide）取代的趋势，相比传统的IGBT，SiC的器件的关键区别是其WBG (宽禁隙，Wide Band Gap)技术，SiC的带隙较传统IGBT大三倍多。采用SiC的PCU：能够阻挡更高的电压、具有更低的寄生电阻和小得多的物理尺寸、还具有更快的开关速度。采用SiC的PCU具有更高的转换效率、在200℃高温下仍能正常工作。更轻、更小的设备重量减少，减少汽车自身重量带来的能耗。碳化硅所具备的这些优点，也为一体化PCU提供了有利条件。目前阻止其广泛使用的瓶颈是成本，随着技术研究的深入和制造工艺的创新，其成本会有所下降，即便是在现今高成本的情况下，汽车级SiCd 节能20%的吸引力，仍然在吸引用户和制造商跃跃欲试。

4.3 燃料电池

燃料电池的基本原理在此就赘述。目前的燃料电池电动车的动力系统，其实采用的是“燃料电池+锂电池”，燃料电池将氢气转化成电能，但不能将多余的电能储存起来，所以需要锂电池来储能，以满足电动车快速启停的需求。所以，在燃料电池电动车上，锂电池与具有辅助能源的无轨电车上的电池类似的功能。对使用者而言，在某种程度上，现在的电动车运维经验同样可以用于燃料电池电动车。

5.小结

因为没有内燃机，相对于传统公交车，电动车运维的复杂性看似少得多，但是运维的技术含量却较高。由于电动车与传统公交车在设备技术上的不同，需要管理的参数与设备多而复杂，而且小的电气故障蔓延到大事故的时间可能相当短，靠人工几乎不能完成。只能通过智能系统来就管理，随着基础技术环境的发展，电动车技术也会随之不断更新，公交人应顺势而为，升级自身的业务水平，才能让电动车的运维满足城市公共交通不断变化的需求。