2007年10月,国家发改委发布《新能源汽车生产准入管理规则》;2009年6月17日,工业和信息化部发布《新能源汽车生产企业及产品准入管理规则》(下称《规则》),两年间的两个“准入管理规则”将新能源汽车正式纳入国家管理范畴。从2000年前后起,我国便已开展有关新能源客车的各类项目,从“863计划”到“十城千辆”,我国的新能源客车不仅实现了国内的示范运营,而且实现了对外出口,新能源客车已然成为中国客车未来发展的一大亮点。
新能源客车技术包括混合动力技术、纯电动技术、燃料电池技术、二甲醚技术等。现阶段,我国的新能源客车以混合动力技术为主,而且多数为城市客车,国内主流客车企业均拥有此类产品,多个城市也开展了混动客车的示范运行或正式运营,例如北京采用的福田客车、杭州采用的厦门金旅等。纯电动客车在城市客车以及营运客车中也有所应用,例如北京京华的BK6122EV,安凯的HFF6127K46EV等。另外,燃料电池、二甲醚等技术亦有一些企业进行了尝试,例如苏州金龙的KLQ6129GQH2氢燃料电池客车,上海申沃的SWB6116DME二甲醚客车等。
根据《规则》的技术阶段划分,目前我国的新能源客车,只有采用铅酸蓄电池作为储能装置的纯电动客车处于成熟期,其它储能形式的纯电动客车均为起步期;混合动力客车方面,除锌空气蓄电池类型外,其余均处于发展期,已初步具备产业化条件;至于燃料电池、氢发动机和二甲醚等技术,则均处于起步期。
混合动力客车技术
根据此前的国家标准GB/T19596-2004《电动汽车术语》定义,混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle,HEV)是一种能从可消耗燃料或可再充电能/能量储存装置中获得动力的汽车。
混合动力汽车是传统内燃机汽车与新兴电动汽车的“混合体”,因而同时具有二者的一些特点。与纯电动车辆的续驶里程有限相比,混合动力车辆在此方面可与传统内燃机车辆相当,而且无需建设充电设施,整车的动力性能较纯电动有所提升;另外由于电池数量和容量的减小,整车自重相应降低,车辆的成本也有所下降,更易为用户所接受。由于做了匹配优化和系统控制,混合动力客车的发动机可保持在最佳的工况状态下运行,通过制动能量回收,可充分降低车辆的能量消耗和排放污染,车辆在起动、加速以及爬坡时的噪声污染也有所下降。
现阶段,国内务客车企业对于混动客车的形式选择不尽相同,根据动力传动系统的布置方式不同,主要包括串联式(Series)、并联式(Parallel)以及混联式(Combined)三种形式,最近又出现了外充电式(Plug-in)。下面对这几种形式分别予以介绍。
串联式混合动力客车
串联式动力传动系统是将发动机、发电机和电动机三个动力总成利用机械及电动连接串联组成动力单元,通常发动机与发电机集成为一体,称为辅助动力单元(Auxiliary Power Unit,APU),这一形式的混合动力客车与纯电动客车更为类似。
从结构图中可以看出,串联式动力传动系统中的发动机与车辆驱动系统间无机械连接,无论车辆处于何种工况下,直接作用于驱动系统的均为电动机部分。车辆运行时,如果负荷较小,可单独由电池组驱动电动机,牵引整车前进;当负荷较大时,则由APU发电驱动电动机。当车辆进入起动、加速或爬坡工况时,APU和电池组共同向电动机提供电能;当车辆处于低速、滑行或怠速工况时,则由电池组驱动电动机,同时APU向电池组充电。当客车通过城市中心区、CBD或居民区域时,这种结构便可实现“零排放”,充分满足车辆的环保要求。
但是,串联式动力传动系统在工作时需经过两次能量转换:发动机产生的机械能经发电机转化为电能,电动机将电能转化为机械能。而能量在转化过程中必然存在损耗,这也是串联式动力传动系统的一个不足之处。
目前国内常见的串联式混合动力客车有ZK6118HGZ、TEG6128SHEV、LCK6110GHEV等。
并联式混合动力客车
并联式动力传动系统是利用发动机与电动机的机械能叠加方式驱动车辆,发动机与电动机分属两套系统,可分别或共同向车辆提供驱动力。由于没有单独的发电机,发动机输出的机械能可直接通过传动机构作用于车辆驱动系统,故而这种形式更接近传统的汽车驱动系统,也因此在客车上得到了广泛的应用。
并联式动力传动系统中的电动机亦可作为发电机使用,因此也称“电动—发电机组”。车辆起动时,由电池向电动—发电机组供电,此时该机组便是传统发动机的起动机。车辆运行时,发动机即为车辆提供驱动动力,又带动电动—发电机组发电,从而向电池充电。当车辆处于低负荷状态时,可关闭发动机,而转由电池组驱动电动机,带动车辆前进。当车辆处于高负荷状态时,发动机与电动—发电机组共同组成复合驱动形式,以最大输出功率驱动车辆前进。
对于并联式动力传动系统,由于发动机输出的机械能可直接作用于驱动系统,中间无能量转换,因此与串联式相比,系统的工作效率较高,燃油消耗也更少。但也会因此导致发动机运行工况受到汽车行驶工况的影响,若要将发动机维持在最佳工作区,便需出色的控制系统和控制程序来实现。
目前国内常见的并联式混合动力客车有EQ6110HEV1、BJ6113C7M4D、BJ6123C7B4D、DD6118HES21等。
混联式混合动力客车
顾名思义,混联式动力传动系统是同时将串联式与并联式结合在同一驱动系统中,由于同时具有二者的优点,因此车辆在每种工况下均可保持高效能运行。
在动力总成上,该系统同时装有发动机、发电机和电动机,三个单元间通过控制系统实现串、并联的相互切换。车辆运行时,如果控制离合器使其处于分离状态,则发动机与驱动系统间的机械连接被切断,此时的三个动力总成处于串联模式;如果离合器处于接合状态,发动机与驱动系统实现连接,车辆进入并联模式运行。在不同工况下,车辆可根据运行状态进行驱动模式的自由选择,因此混联式混合动力客车具有最佳的综合性能。但我们也应注意到,由于混动系统的组成部分较多,整车动力系统的布置是客车设计的关键,而且由于混联系统需靠控制系统实现模式的切换,这便对控制系统和相关控制程序提出了更高的要求。
目前国内常见的混联式混合动力客车有DD6129HES11等。
上述三种动力系统布置中,串联式适合于制动频繁、怠速工况时间长且车速较低的公交车,对于站点距离短的公交路线非常适用;而并式联和混联式则适合经常加速行驶的干线公交车或快速公交,适用于站点距离长或者具有全封闭行驶路权的公交线路。
纯电动客车与燃料电池客车
在此前的G8/T19596-2004《电动汽车术语》中有如下定义:纯电动汽车(Battery Electric Vehicle,BEV)是由电动机驱动的汽车,电动机的驱动电能来源于车载可充电蓄电池或其它能量储存装置;燃料电池电动汽车(Fue Cell Electric Vehicle,FCEV)是以燃料电池作为动力电源的汽车。
在石油资源日渐减少且不可再生的今天,纯电动客车与燃料电池客车选用电能驱动车辆运行,从而摆脱了客车对于传统石油燃料的依赖。这两种电动客车在运行时可实现污染物的零排放,而且噪声低、振动小,乘坐舒适性好。同时,根据日本相关权威机构的研究结果,从汽车各种动力系统的综合效率分析,电动汽车的综合效率最高。
现阶段,这两种电动客车的驱动电能仍主要来源于各种类型的动力电池。车用动力电池大致经历过三个发展阶段:
第一阶段是铅酸蓄电池,这也是目前唯一可大批量生产的车用动力电池。它具有成本低、原材料丰富且易于回收的优点,因此在客车动力电池上得到了广泛的应用,在新能源汽车技术阶段的成熟期。但是,铅酸蓄电池的能量低,而且质量和体积大,不仅导致续驶里程短,而且寿命短,加速动力差,因此并非最佳的车用动力电池。
第二阶段是碱性电池,主要包括镍氢、锂离子和锌空气等种类,其比能量和比功率都要比铅酸蓄电池高,从而提升了纯电动汽车的动力性能和续驶里程。但碱性电池性能的提升是以成本的增加为代价的,短期内,高昂的电池费用使得这种技术存在推广瓶颈。
第三阶段则是燃料电池,它实质上是一个电化学反应发生器,其反应机理是将燃料中的化学能不经燃烧便直接转化为电能,所以能量转换效率高,具有很高的比能量和比功率,是非常理想的车用动力电池。
目前,我国已有北汽福田的BJ6123C6N4D和苏州金龙的KLQ6129GQH2采用了氢燃料电池作为动力来源,其基本原理是电解水的逆反应,将氢和氧分别供给阴阳两极,氢通过阴极向外扩散、与电解质发生反应后,放出电子通过外部的负载到达阳极,实现化学能与电能间的转化。氢燃料电池的产物是水,因此是一种真正意义上的清洁能源,具备极佳的未来前景。但同样由于咸本问题,氢燃料电池客车至今仍处于小批量试运行阶段,另外氢燃料的可靠性也有待进一步改进。如何将燃料电池技术推广普及并实现产业化,这也是燃料电池客车面临的一个重要问题。
值得注意的是,由于车辆需要搭载足够多的电池单元,相比传统内燃机客车而言,纯电动客车与燃料电池客车的车辆整备质量会有所上升。但总体而言,它们可满足绝大多数城市公交线路的运行需求,只要动力电池能够降成本实现产业化,纯电动客车与燃料电池客车必将成为未来城市公交技术的主流方向。
新能源客车应避免重复建设
对于新能源客车,存在一个有趣的现象:采用混合动力技术的大多是具有多年生产经验的“传统型”客车企业,而在纯电动客车的生产企业中,我们却能发现大量新兴民营资本的身影,许多电池生产商在研制出自己的车用动力电池后也开始尝试整车的生产,从而造成了纯电动客车市场的“百花齐放”。
混合动力系统是一种基于传统内燃机的技术,而纯电动客车则是传统能源客车的一种替代产品。对于生产企业而言,纯电动客车的重点在于动力电池和控制系统的设计选用;而混合动力客车除了要考虑上述两部分以外,尚需对其它底盘附件进行设计选用,并对各总成间做出合理的匹配计算,而这些对于缺少传统客车设计能力的“新来者”而言,难度更大,而且成本费用也更高。对于更看重投入成本与收益的民营资本而言,纯电动客车更像是一种“试水行为”,既然有了自己的动力电池技术,尝试一下整车生产也未尝不可,但是,过多的进入者并不利于行业以及市场的长期发展。由于抱有尝试心理,“新来者”造车大多停留在组装动力总成或改装底盘扣车身的原始状态,不仅整车性能难以提升,而且无法进行客车技术的深层次研发,至于营销网络建设以及售后服务保障这些方面,则更是鲜有投入。可以说,如今的纯电动客车产业,开始投射出当年“重复建设”的阴影来,这一点理应得到国家的重视。
值得欣慰的是,工信部最新颁布的《规则》对于新能源客车生产企业以及产品做了明确规范,我们也期待在国家级别的统一规则管理下,这一属于未来的客车技术能够得到健康有序的发展。