纯电动公交车运营效率的影响及优化分析

辛基源　郭鸿钧

摘 要：近年来，社会经济迅猛发展，城市化水平升高，城市人口成倍剧增，居民日常活动范围的扩大提高了交通出行需求，道路交通量和机动车拥有量激增，由此导致城市拥堵程度加剧、环境污染严重和交通事故频发等，严重制约了社会经济的发展，而公交车由于其载客量大、运输效率高的特点，被认为是解决交通拥堵的重要手段，而纯电动公交车的应用是实现健康出行、零排放出行的重要方式。但续航里程短和充电站的不足是制约纯电动公交车推广应用的最大因素，本文从纯电动公交车能耗、充电管理优化来分析纯电动公交车的运营效率。

关键词：纯电动公交车 充电管理 运营效率

随着我国汽车工业的发展突飞猛进，全国汽车保有量也在增加，根据公安部统计，2023年全国机动车保有量达4.35亿辆，汽车3.36亿辆，全国新能源汽车保有量2041万辆，纯电动汽车保有量1552万辆，新注册登记的新能源汽车从2019年的120万量增长到2023年的743万量，呈高速增长的态势，对于载客量大、运输效率高的公交车，国内各城市公交企业也都在逐步由传统燃油车升级换代到纯电动公交车，纯电动公交车在各个城市比例也在逐渐增高，但是由于没有适应的充电管理方案、充电设施不能妥善匹配，加上在冬季车辆的动力电池的衰退，导致纯电动公交车“趴窝”的现象屡见不鲜，极大地影响了纯电动公交车的运营效率。但相对于新能源私家车来说，公交车的运行区间、线路、线路时间相对固定，容易管理和追踪[1]，所以通过优化充电管理、增加相匹配的基础设施可以一定程度上提高纯电动公交车的运营效率，从而提高纯电动公交车的推广和普及。

1 纯电动公交车运营推广现状

交通运输部《2022年交通运输行业发展统计公报》中显示，2022年末全国拥有公共汽电车70.32万辆，比上年末减少0.63万辆，其中纯电动车45.55万辆、增加3.59万辆，占公共汽电车比重为64.8%、提高5.6个百分点[2]。根据以上统计数据不难发现，纯电动公交车在我国公共运输车辆中占比最大，且占比值持续增长。并且在交通运输部科学研究院《2019中国新能源公交车推广应用研究报告》中显示[3]，我国中东部地区相对于西部地区纯电动公交车推广更加普及，分析其原因一是中东部地区经济较西部地区发达，有比较成熟的运营基础设施且海拔、气候较西部地区温和，环境适合动力电池良好工作；二是西部地区地广人稀，即使在城区路段也存在大量的坡路，这就对动力电池的比能量、比功率有很大的要求。但是随着纯电动公交车制造技术、动力电池技术的提升，西部地区也已经推广普及纯电动公交车。

2 影响纯电动公交车运营效率的因素

2.1 动力电池

动力电池的性能是影响纯电动公交车行驶性能、运营效率的重要因素。目前，纯电动公交车动力电池主要有三元锂电池、磷酸铁锂电池两种。其中磷酸铁锂电池相对于三元锂电池的安全系数更高，磷酸铁锂电池的能量密度较三元锂电池小，但为了保障安全，纯电动公交车大都采用磷酸铁锂电池，这就会导致纯电动汽车的续航不是很高，间接的影响了运营效率。针对这一问题，研发新形态、新材料电池是今后的主要目标。比如，在上海试运行的超级电容公交车，超级电容作为一种物理电池，具有极高的电容量、迅速的充放电能力、较长的循环寿命并且可以在极端温度条件下正常工作，但超级电容由于放电快不能长时间储存能量成本也很高，目前还没有大范围普及。

2.2 纯电动公交车能耗

纯电动公交车的能耗测算直接关系到剩余里程估算、充电规划。影响纯电动公交车能耗的因素有很多，例如道路因素、气候环境、驾驶员的驾驶习惯等，道路因素主要是交通拥堵情况、公交车运行时的平均速度；气候环境因素主要体现在严寒及酷暑的天气状况，在这种气候环境下，车内需要开启空调，此时能耗会大幅提高。而驾驶员的驾驶习惯对车辆的行驶能量消耗及制动能量回收有很大的影响，急加速以及频繁的起步会导致能耗的增加。

2.3 充电模式

充电的模式是多种多样的，除了我们熟悉的快速充电和慢速充电，还有无线充电和有线充电，有线充电又包括了直接充电模式和换电模式，直接充电模式相较于换电模式更加具有经济性，因为直接充电模式是采用专用的线缆在整车上进行充电，而换电模式需要建设专门的换电站，但从运营效率的角度看，换电模式具有高效率的优点，并且直接充电模式的快速充电模式会对电池寿命产生影响，慢充模式充电效率太低且充电基础设施数量不够满足充电需求，从长远角度看，随着纯电动公交车的推广普及，相应的充电设施也会逐渐完善，加上动力电池技术日益成熟，在未来直接充电模式应为主流，换电模式为应急方式。

2.4 驾驶行为

由于人的差异性，导致了每个司机的驾驶习惯都有所差异，一个良好的驾驶行为可以带来较好的经济效益，因为车辆在运行过程中保持平稳可以减少班次的能耗水平，提高车辆调度的效率。如果司机在公交运行过程中频繁的加减速，电机中电流的大小发生瞬时变化会增加单位里程的耗电量，消耗电量的剧烈波动也会加速电池衰减的现象，从而直接影响公交的续驶里程。

2.5 车辆调度

车辆调度在城市公共交通系统中具有重要的意义。合理的车辆调度可以使得车辆运行更加平稳，减少车辆间的空驶和重叠，提高运输效率。在传统的车辆调度方法中，常采用的是静态调度方法，即提前对车辆进行排班计划。然而，静态调度方法无法应对实时的运行变化，往往会导致车辆运行不够灵活，不能满足用户需求。因此，研究者提出了动态车辆调度方法，能够根据实时的运行情况对车辆进行调度和优化，提高运输效率和服务质量。

3 提高纯电动公交车运营效率可实施的方法

3.1 优化充电管理

不同的城市的纯电動公交车的运营策略是不一样的，可以根据不同城市的纯电动公交车的发展特点，提出相应的对策来提高运营效率。对于采用全路线为纯电动公交车的城市，优化车辆的充电管理及合理采用不同的充电模式可以很大程度提高纯电动公交车的运营效率。纯电动公交车合理利用行程任务的间隙时间和夜间场站驻留时间段有序的安排充电活动是优化充电管理的重要手段。而纯电动公交车的充电管理其实就是在充电站的规划和建设、充电过程的安排和监督、充电的安全管理等几个方面实施的，基于纯电动公交车产生的大量数据，采用PDCA循环（计划Plan、执行Do、检查Check、处理Act）的充电管理方法助力纯电动公交车的充电管理问题，优化充电策略[4]。

3.1.1 计划（Plan）

在充电的时间段中，存在充电的谷峰时段，很多纯电动公交车充电无计划，这就导致了在谷时段充电不饱和，峰时段过度补电，这样会增加公交企业的运营成本，对此，公交企业可以制定“高峰少充，谷峰多充，平峰合理充”的制度策略[4]，并以车队为管理单位，线路为对象制定合理的充电计划。

3.1.2 执行（Do）

要做好公交车司机的培训，自觉遵守充电计划，并在各个充电节点落实充电方案，共享线路计划，优化充电次序，保证谷峰充电最大化。

3.1.3 检查（Check）

对充电安排做记录表格并定期检查，通过车辆数据远程传输做抽查，对充电设施设备定期检查，强化合理充电、安全充电的意识。

3.1.4 处理（Act）

严格落实充电服务考核，对违反充电计划、充电服务考核不达标的扣除相应的服务费用，督促供电商不断提升服务质量。

3.2 合理测算整车能耗和优化高能耗零部件

合理的对纯电动公交车进行能耗测算不但可以对车辆运营能耗、零部件能耗提出优化，还可以根据能耗测算优化充电方案，合理安排公交车调度。纯电动公交车常用的能耗计算常采用车辆数据远程传输技术，利用远程传输的车辆总成零部件电流电压数据，可以计算纯电动车的能耗。纯电动车的能量均来自车载动力电池，车辆总能耗可以使用车辆电池管理系统（BMS）的总电压、总电流进行计算，采用时间积分法，计算一段时间内的能耗值[5]。该方法可以对纯电动公交车能耗全面的测算，有利于分析高能耗的因素，优化新车零部件制造，提高纯电动公交车的运营效率。

3.3 完善充电基础设施的建设

目前，新能源汽车充电基础设施的建设主要在我国中部、东部沿海城市较为完善，对于北方及西北地区的充电基础设施的建设还有有很大的欠缺，对于纯电公交车，存在很多公交车企业在没有提前规划好充电桩、充电站、换电站等基础充电设施建设的情况下，大批量的购入纯电动公交车，由于充电设施的不完善导致纯电动公交车无法提高运营效率，加上大部分公交车的运营路线是在城区或者市中心，这就导致后期对基础充电设施的建设面临用地困难的情况。因此，做好基础充电设施的改造和建设是解决问题的重要手段，对于有些市中心地段，没有可增建充电设施的空间的情况，可以采用合力安排公交车运营调度计划，在其他符合建设条件的区域增建充电设施，必要时可采取跳站策略来保证纯电动公交车的运营效率。

3.4 合理制定纯电动公交车运营调度计划

纯电动公交车与燃油公交车的在动力系统上有着非常大的差异性，在能源的补给上，燃油公交车大幅度优于纯电动公交车，传统燃油公交车加满一次油，基本可以满足一天的调度计划，而纯电动公交车不仅不能时间长，而且续航里程短，这就会出现燃油公交车的调度计划无法适应到吨电动公交车上，在运营调度方面，纯电动公交车不仅仅需要考虑站点停靠时间、往返时间等，还需要考虑续航里程，合理利用班次链的间隙时间补充电量，在有限的续航里程中衔接更多的班次链。加上纯电动公交车动力电池受环境、温度等各方面影响比较大，寿命相对较短，在年复一年的行驶中，会出现因动力电池衰退引起的无法按照调度计划完成运营任务。针对以上情况，提出纯电动公交车调度优化方案，合理安排纯电动公交车的运营调度计划，可以有效的提高运营效率。目前，纯电动公交车仍然采用燃油公交车的全站停靠的模式，这种站站停靠的模式在运行效率上比较低，因为在不同时段的不同公交站出行人数是不均衡的，所以合力规划纯电动公交车跳站班次以改善纯电动公交车一次补充电量后的能量利用率，利用跳站策略改善供需平衡。另外，纯电动公交车的运营调度计划是持续动态调整的，不是一成不变的。

3.5 创新技术

纯电动公交车的核心技术呈飞速发展的态势，尤其是在动力电池的形式、驱动电机、充电模式这几个方面上，在近几年，许多新型的纯电动公交车崛起，例如上海超级电容公交车、新型双源无轨电车等。这些新型的纯电动公交车解决了充电慢或者充电设施建设困难的问题。在未来随着电池技术的突破、充电模式的可靠性提高、制造工艺的提升、整车乃至零部件的能耗减少都可以大幅度提高纯电动公交车的运营效率。

4 结论

本文就影响纯电动公交车运营效率的因素做了浅析，并没有对作用机理给出更多的描述，关于这方面还需要进一步的研究。

基金项目：甘肃省教育厅2023年高校教师创新基金项目“基于非支配排序差分进化算法的公交发车间隔优化研究”。

参考文献：

[1]蓝倩.纯电动公交车运营基本情况分析[J].《汽车实用技术》，2022，47（24）：209-213.

[2]交通运输部.2022年交通运运输行业发展统计公报.2023-06-21.

[3]陈钰.城市形态对城市交通能耗影响的实证研究[J].《东南大学硕士论文》，2022-05-01.

[4]刘全强；王展.PDCA循环法在纯电动公交车充电管理中的应用-以东莞某公交公司为例[J].《城市轨道交通》，2024（02）.

[5]倪丹.基于远程传输车辆数据的纯电动公交车能耗分析[J].《城市公共交通》，2024（01）：29-33

[6]蓝倩.纯电动公交車运营基本情况分析[J].汽车实用技术，2022，47（24）：209-213.

[7]周雨阳，张梦瑶，李长锦等.地面公交运营效率与服务质量评价综述[J].交通运输工程与信息学报：2023，（08）：1672-1678.

[8]李琼，朱士卜，朱文英.城市公交运营效率评价研究——基于三阶段DEA方法的分析[J].价格理论与实践，2022（06）：152-155

[9]王晶晶.公交企业如何建立更加规范化的运营体系——以宜昌公交为例的运营环境分析及对策建议[J].城市公共交通，2019（10）：28-31.