环保节能混合电动城市公交客车可行性研究报告.docx
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环保节能混合电动城市公交客车可行性研究报告
环保节能混合电动城市公交客车
可行性研究报告
一.总论
二.发明人情况简介
三.技术团队
四.专案技术可行性分析
五.环保节能混合电动牵引卡车的市场分析和预测
六.专案实施方案
七.增投资估算、资金筹措
八.专案可行性研究报告编制说明
一．总论
混合电动公交客车是一种集纯电动车、内燃机车的技术和优势于一体的混合动力电动汽车。
车辆废气排放达到和超过欧洲-V标准，目标是达到欧洲-IV标准,符合国际最严格的环保法规要求。
与同型号普通燃油公车相比,可以降低燃油消耗40%，具有较好的经济性；克服了纯电动车续驶里程短的缺点，续驶里程可以达到600公里，完全满足了城市公交的需要,可以实现特定的市区内零排放目标。
同时，克服了纯电动车由于蓄电池的过放电造成的蓄电池寿命缩短、性能下降问题。
具有低排放、低油耗、低噪音和高经济性和高环保性的优点，是一种新型绿色环保城市公交客车，特别适合大中城市使用，具有广阔的市场前景和发展空间。
二、发明人情况简介
专案发明人XX先生具有多年电动车研究开发经验，现为中国电动车专委会委员。
早在访美期间就已经开始了电动车的研究，在混合动力电动车领域，共获得18项发明专利。
1999年，利用自有专利技术，开发并生产了中国第一辆混合动力中型客车和中国第一辆混合动力大型客车，也是中国第一辆通过了科技部有关专家鉴定的混合动力电动汽车，并成功的在美国上市的国内第一个环保专案。
有力推动了混合动力电动汽车在国内的研究开发，为尽快使混合动力电动城市公交客车产业化打下良以好基础。
三、技术团队
本环保汽车研发团队，的技术指导有世界电动车协会主席、中国工程院，院士香港大学陈清泉院士。
北京理工大学。
天津十八所、及美国、新加坡、香港的团队。
专案工程师毕业于工业大学汽车拖拉机专业，有多年汽车设计制造、机械设计与传动、塑胶零部件设计及模具经验，主持和参与了多个大型专案的研发，有丰富的专业工作经验。
专案工程师先生毕业于工学院汽车拖拉机专业，先后在多家汽车厂从事汽车研究开发工作，具有丰富的技术与管理经验。
专案工程师先生毕业于理工学院汽，先后在多家研究所从事汽车电子控制研究、开发工作，具有丰富的技术与管理经验。
公司从事混合动力电动汽车研究开发的技术人员有十一名，全部为本科以上学历，具有多年从事客车、电机电控、电池技术管理、研究经验的高级工程师和专家。
电池有限公司是我公司的紧密合作单位，在动力电池的研究方面，特别是电池的管理、控制系统方面，双方共同投入资金，成果共用。
博大电池有限公司拥有国内第一家电池行业企业博士后工作站，目前共有13位电化学领域的博士从事动力电池的研究开发。
四．专案技术可行性分析
1、混合电动城市公交客车的环保、经济效益
概述:
应全球对能源及环境的日益关注和重视，世界各大汽车厂家及科研机构先后开发研制各种不同的纯电车（ElectricVehicles）及混合电动车（HybridElectricVehicles）。
中国政府也开始积极支持发展Hybrid电动车，把它列入国家“十五”十二大重大科技专案和“863”计划中的重点科技产业化专案,希望改变中国传统汽车生产落后局面.用混合电动汽车专案来赶上国际汽车发展技术水准，藉此改善各大城市的空气品质，增强国际形象。
电动车的推广使用，最主要目的是要改善城市空气污染，节约能源，提高人们生活环境。
由于电动车的种类不同，因而相应的环保经济效益亦有所区别，下面简单分述如下:
对于我国城市机动交通的可持续发展、我国汽车产业的可持续发展，新汽车产业发展政策密切关注，并有明确规定，“2010年前，乘用车新车平均油耗比2003年降低15％以上”，“国家引导和鼓励发展节能环保型小排量汽车”，“支持研究开发醇燃料、天然气、混合燃料、氢燃料等新型车用燃料，鼓励汽车生产企业开发生产新型燃料汽车”。
不过，节能环保型小排量汽车，在我国不少地方遭到不公平待遇，而油耗大的大排量轿车，大中城市里十分畅行无阻，一些地方的“放大抓小”，与新汽车产业发展政策很不协调；鉴于我国小汽车欧洲Ⅲ号排放标准正在制定中，车用油品质量问题尚未解决，致使达到欧Ⅲ尾气排放标准的乘用车生产企业也暂享受不到减征消费税的优惠；我国人大通过的燃油税法规，也迟迟未能付诸施行。
Ø纯电动车
纯电动车的发展历史最久，也是目前在技术上最成熟的一种。
最大的优点是可以真正做到零排放，最大的问题是电池寿命短及每次充电后行驶里程少，每次停车充电时间长，需增加路边充电站、基础设备投资很大。
电池的损耗费用占很大比例。
基于这些原因，纯电动车仅适用于一些每天行驶里程不超过100km的政府机关或邮政等以及家庭轿车用户，相对来说目前市场较小。
Ø燃料电池车
燃料电池车在全世界范围内已全面展开研究和开发。
其环保性是燃油车辆的最好取代品，因为燃料电池车在运行时的副产品只是水，完全是零污染。
料电池车将大行其道，但目前燃料电池车的关键技术还处于实用前的科研攻关阶段，核心部分的技术和生产掌握在国外几个汽车巨头手中，成本高。
相信20年后燃料电池车将大行其道。
Ø混合动力电动车
混合动力电动车实质上是一个在电池的能量密度和功率密度以及燃料电池等技术方面取得突破前的折中的方案，它的出现是为了解决纯电动车存在的技术性问题。
在目前燃料电池技术尚未成熟之际，可以说是一个比较好的方案。
一般而言，人们会以为Hybrid电动车就是纯电动车上增加一台发动机而巳，自然会同样地产生排放，因此有些人对此不甚乐观。
但是我们在研发的混合动力电动车探取了一系列专有最新技术，它控制发动机在最低燃油消耗点或最低排放点的范围内运行，克服了城市公交客车在城市工况下长时间处于低速、低负荷、频繁停靠站的怠速等工况下燃油消耗率上升、排放恶化的状况。
混合动力电动车在城市环保效益中取得明显的效果是：
1）.控制发动机在最低油耗点或最低排放点范围内运转，令排放可以达到欧洲Ⅳ和欧洲Ⅴ标准。
2）.燃油消耗率在城市工况下比普通燃油客车降低40%以上，12米城市公交大巴平均每天行驶600km，一台传统柴油客车每百公里油耗45升，而採用油、电或气、电混合行驶，每百公里油耗可以节省18升，每天可以节省燃油108升，每天可以节省燃油费用379元，一年下来可以节省燃油费用379×300＝11.3700万元以上。
这一点是混合电动车的最大经济优势。
3）在使用同样的燃料和发动机时，混合动力电动车的排放要低得多，如选用欧III标准的发动机，可达到欧V的排放标准；原因是发动机功率小得多，又工作在最佳工况，此时发动机的排放最低和效率最高。
4）由于采用了电机制动、能量回收到蓄电池中，在提高燃油经济性的同时，提高了车辆行驶平顺性和舒适性，减少了公车中最常见的离合器和制动器的维修更换,节约了维修维护时间。
仅在零部件的更换上，每年可以节约零部件成本3万元以上。
5）由于混合动力电动公交客车的动力电池工作在高效区内,克服了纯电动车动力电池存在的过充过放电、造成的电池过早损坏和寿命缩短问题，提高了车辆的续驶里程和降低了蓄电池的维护时间。
6）高可靠性，无论是发动机或是电动机系统故障，车辆仍可以依靠单独的动力系统继续行驶。
7）在城市的某些路段，可以采用纯电动驱动方式，实现在城市内的零排放，和低噪音。
8）由于整车选用了小功率的发动机，在混合动力驱动时，整车的噪音大幅度降低。
Ø混合动力电动车与普通城市公交客车的制造成本比较（12米车型）
项目
传统汽车（万元）
混合电动汽车（万元）
综合排放
欧Ⅲ
欧V以上
1.车身系统成本
11
11
2.发动机
12.5（大排量欧Ⅲ）
5.8（小排量欧Ⅲ）
3.变速箱
1.7
1.7
4.地盘
10.5
10.5
5.驱动电机
1.5
6.控制器
6.4
7.发电机
1.2
8.发电机控制器
9.动力电池
2.5
10.ECU（中央控制器）
1.6
11.空调系统
7
7
12.动力转向等附件
2
13.生产人工费用
1
1
总计（万元）
44.9
45.2
空气悬挂（选装）
3
3
可以从比较中看到,由于混合动力电动车采用了成熟的客车底盘和车身，降低了车辆成本中占很大比重的发动机的成本，虽然增加了电机、电控、动力蓄电池等成本，但整车的成本同同档次的车相比，生产成本仅增加了1%，增加成本在0.7万元左右，考虑车辆的营运费用每年可以节省在11万元左右，综合车辆的环保优势，混合动力电动车在中高档城市公交市场佔有很大优势。
2、国内、外电动车的发展现况
电动车发展至今在国外已有数十年的历史，而在国内亦有超过八年的发展过程，但至今仍未能如燃油车一样被人们接受，最主要的原因是其实用性和经济性与现实相差太远。
燃油汽车已经历一个世纪的发展和完善，几乎已达至完美的境界（如果不考虑其废气排放的话），人们很自然地会将电动车与燃油汽车相比。
早期开发生产的主要是纯电动车，其行驶里程和电池寿命是失败的根本原因。
近两年来国内外电动车开发公司不约而同地认识到必需走混合电动车这条路。
在国外主要有美国、欧州及日本在这方面较有成效。
近来国内许多省份以及北京、上海、郑州、武汉、广州及深圳等主要城市都把混合电动客车作为重点支持开发专案。
国家的“863”计划明确提出：
以燃料电池车作为前沿攻关开发专案，以混合电动车特别是混合电动公交客车作为市场化、产业化的基础发展。
3、混合电动城市公车的优势
公车是解决城市交通的主要工具，亦是构成市区空气污染的主要原因。
而即将面世的混合动力电动大巴，废气排放量可以达到欧V或欧IV标准（视选用的燃油及发动机而不同），是在数年内逐步取代旧有公车的最佳选择；其主要优点如下：
1）.混合动力电动大巴的外型和整车性能与普通燃油车没有大的区别，操作方式亦完全一样，驾驶人员无需做特别训练。
2）.混合动力电动大巴的废气排放可达到2008欧V标准，符合最严格的环保要求。
造成城市空气污染，公车是最主要的原因之一。
超低排放的新型Hybrid电动大巴面世之后，政府将会用行政干预的手段来限制普通燃油车。
目前北京市政府已计划大力推广新型电动车，未来七年内将投资150亿美元来逐步改善城市交通污染。
3）.新型混合动力电动大巴，燃油+电动的续驶里程超过600公里，最高车速可达90km/hr及最大爬坡度达30%，完全可满足城市交通运行要求。
4）.由于采用了最新型的发动机和电脑操控的混合动力系统运行模式，比普通燃油车可节省达40%以上的燃油。
5）.由于电池的充放电量由电脑控制在73%--75%、60%--75%、30%--75%三个工况内，同时使用了ECU系统来控制APU、驱动系统、电池及空调系统的最佳功率分配，令电池的寿命大大提高，平均可达30万公里或四年的使用寿命。
6）.全新的设计方案，令Hybrid电动大巴对电池的依赖性减至最低，即使在电池完全失效的情况下，满载及总重量达16吨的大巴，依然可以借助发动机动力行驶。
7）.混合动力电动大巴的维修费用较普通燃油车少约三成。
8）.在特别的环境下可以实现零排放及低噪音工作，完全停止发动机工作，车辆仍可行驶30km的里程。
9）.新型混合动力电动大巴的生产成本和销售价格与普通燃油车基本相同，但由于使用寿命长、省油、卓越的低排放性能和极低的运行费用，在当今环保要求越来越高的社会，具有极大的市场竞争优势。
4、混合电动城市公车的关键技术
我们采用自有专利技术专利号为（200510115003.0）（2005201335121）开发的一种效率高出常规汽车80%，节能超过40%超低排放环保混合电动汽车.它采用小功率柴油机和强制内部冷却式电动机/发电机，它採用零排放模式起步，当车速达到内然机最好的工况时（发动机油耗最低、排放最低）自动起动发动机行驶工作，并一边驱动车辆一边用富余的动力向畜电池、自行充电，超低排放内燃机和电动机混合行驶。
可省去基础充电设备，内燃机可以单独直接驱动车辆行驶,电动机也可以单独直接驱动车辆行驶，在城市公交工况下，由于控制柴油机运转转在最低燃油消耗点范围，可以显著地降低有害气体的排放,提高燃油经济性25%以上,减速制动时能量回收可以提高燃油经济性15%，在市区起步达到零排放环保标准。
1）我们拥有混合式电动汽车整车结构专利技术。
它可组成为汽油机和电动机混合驱动模式;柴油机和电动机混合驱动模式;液化气和电动机混合驱动模式;天然气和电动机混合驱动模式;
2）我们拥有混合电动驱动系统的多能源控制技术。
3）我们拥有油冷和内部空冷电机冷却工艺技术。
4）我们拥有高性电池箱组合冷却系统技术。
5）我们拥有自动换档AMT变速箱技术。
6）我们拥有混合驱动功率协调控制ＶＭＳ系统技术。
7）我们拥有电池能量ＢＭＳ管理系统技术。
8）我们拥有电池电压ＤＣ/ＤＣ转换技术。
9）我们拥有车载高频充电器技术。
10）我们拥有交流变频驱动电机和驱动变频控制器技术。
混合动力电动车在结构上比普通燃油车及纯电动车复杂，从下表可以了解其基本设备的配置：
项目
普通燃油车
纯电动车
Hybrid电动车
用途
燃油发动机
YES
不需要
YES
小功率高效柴油机
变速箱
YES
无级调速
YES
提升输出扭力
驱动变频器
不需要
YES
YES
控制行驶速度
驱动电机
不需要
YES
YES
驱动车辆动力
动力电池组
不需要
重型
轻型
储存/提供电能
APU发电机
需要
NO
YES
供给电能
VMS系统
不需要
NO
YES
控制APU及负责能量分配
BMS系統
不需要
YES
YES
电池监测及保健
车载式充电机
不需要
YES
YES
充电及交直流转换
DC/DC转换器
需要
YES
YES
低压电器供电，12/24V电池充电
ECU稳压电路
不需要
NO
YES
行车时给电池/电容充电
由上表可以看出来，混合动力电动车应用的主要电器设备，比普通燃油车或纯电动车都要多，主要目的均是为了解决一个根本的问题—电池组寿命过短，续驶里程短的弊端。
5、混合动力电动汽车设计说明
由于整车的设计上採用了一系列最新式的控制系统，电池的使用寿命比一般电动车延长3倍。
新型的混合电动大巴有以下特点：
■超低排放标准：
用LPG燃料可达欧V标准，纯电动模式达到零排放。
■显著的节油效果:
平均比同排量、同吨位车可节油40%。
■可实现零排放运行:
进入市区时可用纯电动行驶达30KM。
■高可靠性:
无论是发动机故障或电池故障，车辆继续行驶。
■操作方便:
我们设计的混合电动车在操作上同普通燃油车完全一样，驾驶者不需任何特殊培训，也不需要停车对电池进行充电。
■特长的电池寿命:
对电动车来说，电池的寿命是最大的问题。
由于我们的设计中，同时应用了VMS（中央控制器）、BMS（电池管理系统）、ECU（车辆管理系统），电池的重量减少了一半，可以保证电池的寿命超过30万公里，而且日常运作中不需要对电池维护。
■特低的运行费用:
由于低的耗油率及维修费用，平均每年的运行费用比同类公交可节省燃油达40%（参阅12米Hybrid巴士经济效益分析表）。
■舒适的乘坐环境:
整车底盘採用进口空气避震，商务型座椅设计，宽畅舒适。
6、ECU（EnergyControlUnit）能源控制系统
ECU系统是混合动力电动车中极为关键和复杂的控制部件，它们成功与否与整车的运作性能特别是运作费用影响非常大。
目前面世的电动车绝大多数都没有该系统，因此实际上都停留在样车试制阶段，无法发展成产业化大批量生产。
我们设计的ECU系统是在BMS及VMS系统的基础上发展起来的，系统并非针对某特定的车型设计，我们的设计目的是要能应用于任何Hybrid电动车。
ECU系统不仅极大地提高了Hybrid电动车的运行性能，更将电池组的寿命延长达数倍以上。
全新的ECU系统的设计及工作原理与以往的BMS有很大的区别，现就ECU的功能分述如下：
1）.提高混合电动车的运行性能
电动车运行的成本和可靠性取决于电池组，事实上现在各电池生产厂家提供的充放电寿命资料是有条件的：
单个12V电池在DOD80%放电率的情况下，寿命仅500-1200次（视电池种类而定）。
由于厂家容许电池性能有15--20%的误差，因此多组电池串联后的寿命是远低于上述值的。
电动车使用的电池有26个12V单体，电池组串联后的寿命，将明显低于出厂指标，因此採用ECU系统来消除每个电池的容量误差是非常必要的。
使用该系统后容许电池容量偏差值达33%时电池组仍可正常工作。
2）.ECU系统将电池组的运行成本降至最低
电池组的运行成本占到较高比例，导致纯电动车的营运成本比普通燃油车高。
因此是否能大幅度地延长电池寿命，是开发和生产电动车的成功关键。
我们通过反复试验，发现了电池组在充放电中对寿命影响最大的区域，因此EMS系统在实际工作中，会综合行车资料（即当时电动车消耗的电力）、电池的实际储电量等资料，来控制APU（发电机）的输出功率，而令电池工作在最佳高效区内。
按最保守的计算，每一组电池可以行驶达30万公里，因此最终的结果，完全可以令混合动力电车的运行成本比普通燃油车更低。
3）.ECU将电车控制系统
混合动力电车上应用的电子设备较多，因此不仅会增加生产成本，同时亦需要较多的安全空间。
一辆Hybrid电动车，除基本的驱动电机和驱动变频器外，我们还需要以下电子设备：
VMS（中央控制器）：
功能是协调控制APU、电池、驱动电机三者之间的功率分配。
BMS电池管理系统：
分成独立26路控制电池的充放电和监测电池的工作性能参数。
车载式充电机：
功率达30kw,全自动控制APU对电池进行充电。
超级电容控制电路：
此电路的功能是延长电池使用寿命的关键,因为该电路可令流经电池的电流值减少70%。
DC/DC转换器：
输出27V/45A直流电源供整车低压电源及空调风扇电源。
13.5V/45A直流电源，供控制电路及音影设备的低压电源。
电量/电流表：
显示主电池组剩余电量及整车工作电流之用。
4）.全新的控制方式/混合动力电动车的控制策略
电动车控制系统部件的设计，主要是以提高效率、降低运行成本和提高可靠性为主要考虑因素，因此在软体和硬体的设计上均力求简洁，这对日后的维修保养极为重要。
在实现了主要的功能控制时，我们要求电动车在操作和维护方面与普通燃油车无异，这一点对电动车的成功很重要。
我们的总体设计思想和控制策略是基于在有限的能源条件下，充分考虑到整车的动力性能、电池特性、运行成本、整车重量因素甚至市场因素，因此我们在设计中力求儘量简化。
7、设计的关键问题
环保公交大巴车要在国内推广，必须符合以下几个最基本的条件:
i.符合欧V或欧IV排放标准
ii.造价低廉，销售价必须控制在￥80万内。
iii.运行费用低，能在1-2年内将成本回收。
iv.可靠性高，维护费用低
为了达到上述要求，我们研究了大量资料，得出的结论是:
在国内使用的Hybrid电动车，才有可能满足上述要求。
电动车的发展史几乎和内燃机一样长，但在此之前不能普及的根本原因，就是电池虽经过100年左右的改进，限于其基本原理不能有突破性的发展，至今为止，蓄电池的能量密度和功率密度仍不能满足车辆要求。
另一方面，内燃机的性能则得到极大的改善，相比之下，电动车在技术性能上远远落后于内燃机车辆。
电动车的运行中，更换电池的费用是非常大的。
电池在使用过程中维护的麻烦，也不是所有的用户都可以接受的。
但最重要的是，电池的性能没有可能在短期内得到突破性发展，对电池的研究和开发工作也不是我们力所能及的，如果一定要纠缠在电池的问题上，电动车的专案是很难成功的。
因此我们将研究的重点方向转移，在新型的Hybrid电动车上，由于採用了混合动力驱动模式，减轻了电池的重量，极大的延长了电池的寿命，使其寿命达到30万公里以上。
免除了繁复的维护和更换工作。
对电动车来说，目前存在的最大问题依然是电池的使用寿命。
超级电容的贮能量平均为电池十分之一，从资料上来分析是不可能代替电池的，但如果运用在作为混合动力电动公车上，用来辅助铅酸蓄电池工作，可以有非常好的效果，
如果采用铅酸蓄电池+超级电容的方案，最适宜用做双层巴士及超低底盘公车，可以大幅度减小蓄电池容量，提高制动能量回收效率。
Ø贮能方案的确定：
比较上面各种贮能方案，我们最后确定选用GP生产的60AH大电流充放电镍氢电池，最高可用10C的电量充放电，电池组的体积和重量仅为常规设计的一半。
为了提高电池的使用寿命，特别是为了保证电池在使用后期性能下降后，仍能满足车辆加速性能，我们在设计上最大充放电为5C。
由于使用了ECU超级能源控制系统，电池组的使用寿命在无需维护的情况下，可达三年或保证行驶逾30万公里！
最新设计的ECU採用了高可靠性的控制概念，这种控制方式与我们即将开发的水冷式变频器配合使用，可以令电车的可靠性大为提高。
在极端的情况下，全新方案设计的混合动力电车仍然可以按以下模式运行：
Ø驱动电机技术
●加大电动汽车电机研发力度。
改进电机的结构设计、电磁设计和散热系统设计，以及控制器的电磁相容设计；进一步提高电机的比功率、效率，降低噪音和温升，加强耐久性和可靠性研究；解决开关磁阻驱动电机力矩波动、永磁驱动电机去磁和力矩波动等问题，提高电流线性度和超载能力。
●加强客车用电机及其控制系统的性能优化及其与整车的匹配，并重视可靠性研究。
●在轿车用电机及其控制系统研发中要综合考虑体积、重量、功率、温升、工作环境、材料与工艺结构等方面的较高要求，提高峰值功率，儘快使性能达到整车要求。
●在驱动电机研发中要充分考虑工程化、产品化需要，加强电机与控制器、整车课题单位之间的合作，提高配套制造能力。
a.如APU发生故障（或燃油耗尽时），电池组提供的能量可以维持继续行驶30km以上，足够返回维修基地。
b.在电池组发生故障时（实际上由于有ECU系统的作用，电池组突发性故障的可能性非常低），ECU会协调控制驱动电机的输出电力，令电动车可以维持达50km/hr以下的速度继续行驶。
由原理图可见,ECU主要是从主电池组取得剩餘电量资料，再按照即定的方案来控制APU的输出功率及驱动电机的输出功率。
控制項目
车匙位置
说明
ACC
ON
STAR
电池监测电路
ON
ON
驱动电机变频器
ON
需经STAR后接通
空调电机变频器
ON
同时受ECU系統电量控
辅助变频器
ON
需经TAR后接通
空气压缩机
同时受压力开关控制
方向机油泵
ON
同时受行车方向控制
DC/DC转换器
ON
车灯系/低压电器
ON
电池均流电路
ON
同时受ECU检测压差控制
ØAPU的控制
APU的工作状态取决于电池的电量。
在ECU系统中，我们将电池的的剩餘电量取4个动作点，分别是35%、40%、80%及85%，至于取这几个点的原因是我们综合了大量的电池资料及使用经验而定；这里不做详细解释。
电池电量及功率输出控制比例表
电池电量及功率输出控制比例表
电池组剩余电量%
APU的输出功率
驱动电机功率输空調電机的工况
85
OFFOFF
100%ON
80
25%OFF
100%ON
75
50%50%
100%ON
70
75%100%
100%ON
60
100%100%
75%ON
35
100%10
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