 Open Journal of Transportation Technologies 交通技术, 2013, 2, 225-230 http://dx.doi.org/10.12677/ojtt.2013.24041 Published Online September 2013 (http://www.hanspub.org/journal/ojtt.html) Analysis of the Urban Electric Buses Operation Parameters* Xiuyuan Zhang1#, Haoming Wang2, Fangfang Wang1, Hui Zhang1 1School of Traffic and Transportation, Beijing Jiaotong University, Beijing 2Beijing Public Transport Company, Beijing Email: #xyzhang@bjtu.edu.cn Receiv ed: Aug . 28th, 2013; revised: Sep. 22nd, 2013; accepted: Sep. 28th, 2013 Copyright © 2013 Xiuyuan Zhang et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract: Urban public transport development is conducive to the traffic structure optimization adjustment and relieves urban traffic congestion. As domestic electric city buses operating routes choice and replace con- ventional bus lines are in in itial stage, it lacks theory and method of analysis. The electric bu s opening in the Olympic Games in Beijing provides a good demonstration of green Beijing transit mode, reducing energy consumption and carbon emissions. The suitable scope of spare battery charging station and other key para- meters are given based on Beijing electric bus operation technical conditions and main index of the charging station. These results provide reference for the electric bus lines scheduling operations, but also for the con- struction of green bus, bus structur e and operations management recommendations. Keywords: Urban Electric Bus; Spare Battery; Bus Numbers; Green Public Bus 城市电动公交车运用参数测算分析* 张秀媛 1#，王昊明 2，王芳芳 1，张 慧1 1北京交通大学交通学院，北京 2北京公交集团总公司，北京 Email: #xyzhang@bjtu.edu.cn 收稿日期：2013 年8月28 日；修回日期：2013 年9月22 日；录用日期：2013 年9月28 日 摘 要：城市公共交通发展有利于交通结构优化调整，缓解城市交通拥堵状况。由于国内城市电动公 交车运营线路选择和替换常规公交线路都是尝试阶段，缺少理论和方法分析。北京市在奥运会启用了 电动公交车，为北京市绿色公交出行，减少能耗和碳排放提供了很好的示范。本文结合纯电动公交车 的运营技术条件和充电站的主要指标，给出北京市纯电动公交车开行条件和充电站备用电池等关键参 数的适宜范围，为城市电动公交线开行方案和运营调度提供参考和借鉴，为绿色公交建设、公交结构 和运营管理上提出建议。 关键词：城市电动公交车；备用电池；配车数；绿色公交 1. 引言 结合北京市交通空间布局规划和客流出行目的 多样化，尤其是通勤客流的放射性分布，生活性出行 的交织性，形成多种公共交通接续的空间分布特征。 *基金资助：国家社会科学基金交通能耗统计分析(11-BTJ-016)。 #通讯作者。 Copyright © 2013 Hanspub 225  城市电动公交车运用参数测算分析 根据北京市地面公共交通线路分布广泛、形成密集的 接续换乘客流服务的发展目标，以及电动公交车运用 相关要求，在城市中心区、枢纽邻近区域、中心区与 外围接驳换乘区域确定合理的电动公交车运用规划， 确定电动公交车发展区域范围。 本文从绿色公交出行角度，对北京市客流特点和 公交运营技术条件进行电动公交车运用分析，给出系 统和合理的电动公交车开行技术条件和电动公交充 电站选址相关参数分析，为完善公共交通出行提供基 础和参考。 2. 北京市居民公共交通处性特征分析 北京市居民公共交通出行可以分为以轨道交通 为主的快速公共交通和地面常规公交首末站为中心 的短距离出行等。结合北京市地面公共交通线路特点 和客流分布特点进行地面公交电动车运用分析。 公交车线全天客流特点 在城市不同区域公交车运行线路不同，形成的线 路全天客流峰值也不相同，通常全天的客流峰型有早 晚双高峰形式，一般出现在通勤客流较大的地区；全 天单峰型，峰值主要集中在中午至晚上，一般多为娱 乐、休闲、购物等商业和娱乐聚集地区；此外就是全 天无客流峰型的情况，主要在小型社区、工厂等地区 功能相对单一的城市空间，客流峰型如图 1~3 所示。 地面常规公交线路布设主要有三种形式。其一， 公交线路与轨道交通接运形成“喂给”式模式。轨道 Figure 1. Two peaks in the morning and evening 图1. 全天双峰客流 Figure 2. One peak all day 图2. 全天单峰客流 交通作为一种快速大运量的交通形式，从微观上来 讲，每个轨道交通站点，均可以看作一个小的公共交 通枢纽点与常规公交接驳功能，形成“喂给”公交线 路，以服务轨道交通车站为主要目的。其二，形成“社 区公交”微循环公交线路。社区公交服务范围和服务 效率是减少公交盲区的关键之一，提高接运流量、完 善微循环功能，主要公交车线设计如图 4~6 所示。 Figure 3. Evenly passenger flow all day 图3. 全天无锋客流 Figure 4. Feeder bus lines 图4. 接运公交线路 Figure 5. Radioactive line 图5. 放射性线路 Copyright © 2013 Hanspub 226  城市电动公交车运用参数测算分析 Copyright © 2013 Hanspub 227 服务范围，方便乘客换乘，增加区域性的环形辐射功 能如图 7和图8所示。 3. 城市电动公交车运营技术指标参数 北京市地面公共电(汽)车近年的发展取得了良好 的成绩，现有地面公共电(汽)车线路多为普通干线， 快线，形成初步网络；速度和其它服务标准以及大型 客流集散点协调性、支线的辅助功能、卫星城的线路 有了很大的改善，提供较好服务水平的机会。但是， 随着社会经济水平的提高，居民对公交需求水平逐步 提高，目前的公交服务尚存在一些问题，集中表现在 服务水平与需求尚有一定的差距。国内外城市都在积 极推进绿色公共交通出行理念。电动公交车运用是城 市绿色公交的主要发展方向之一，以及公共交通节能 减排，绿色化公交车辆运用，基于需求合理运用电动 公交车，主要考虑以下两个方面： Figure 6. Community line 图6. 社区线路 还有，常规公交与轨道交通换乘协调的线网优化 方案。通过放射性轨道交通线网和环形轨道交通的站 点客流规律分析，形成以轨道交通车站为中心的片区 客流集散，具有终端接驳功能的环形线路，可以增大 1) 公共交通线网功能层次、等级，适应城市不同 客流等级的出行需求。 Figure 7. Area passenger di stribut ion 图7. 片区客流集散  城市电动公交车运用参数测算分析 Figure 8. Regional annular radiation 图8. 区域性的环形辐射 2) 常规公交线路等级划分、线路特点，协调常规 公交和电动公交线路结构关系。 结合电动公交车的技术特点和国内各城市运用 的特点，确定电动公交车可运用的线路特征和电动公 交车充电站的规划布局，形成高效电动公交车服务效 率。 针对北京市城市道路公交运行条件和电动公交 车两技术参数适用性，提出电动公交车运营特性指标 体系，主要包括三部分指标：一是线路运营指标，指 车辆在线路上运行时与车辆有关的线路指标如单程 时间/Min、始末站停车时间/Min、周转时间及周转次 数/Min、线路车辆数/台、行车频率/车次/h、行车间隔 /Min/车次；二是车辆性能指标，指是车辆在运行时车 辆本身的性能指标如计划车容量/(人/车)、运营速度 /(Km/h)续驶里程/Km；三是电池性能指标，指车辆运 行时电池的放电状况如电池额定容量/Ah、电池实际 容量/Ah、放电循环寿命/次、电池额定电压/V、电池 组工作电压/V、剩余电量。 此外，本文结合北京纯电动公交车采用快速更换 模式置换车载电池充电站进行参数测算。在充电站规 模基本确定的情况下对充电系统的规模和充电能力 进行估算[1-3]。 ①基本设计参数 基本参数主要有线路长度L，充电倍率 β，高峰 发车间隔 T，充电机功率 Pc，续驶里程 Lr，电池容量 C，高峰断面流量 Hm，电池更换时间 Tc，工位数 Nr， 即配备 Nr套快换设备，全天工作时间 Tr。 ②高峰小时发车间隔 常规发车间隔的确定可用发车间隔计算方法，若 对于客流较集中且客流量较大的公交服务线路，其发 车间隔的计算可予以简化。首先，针对线路客流较集 中的高峰小时计算高峰小时发车间隔为 b m C T H (1) 式中，T为发车间隔， m H 为高峰小时断面客流量， 为己知车容量，运行线路的制定。其中，公交车辆的 发车间隔、运行线路长度、平均行驶速度以及线路配 车数之间有如下制约条件： b C WVT L (2) 式中，W为线路配车数，V为平均行驶速度，T为发 车间隔，L为车辆运行线路长度。 以上这几个因素既要符合所在公交线路的实际 需求，也要符合互相的制约条件。公式中的发车间隔 是根据所需运能确定的，平均行驶速度是根据具体线 路的路况及交通状况等得出的经验值。而车辆运行线 路长度的制定是否合理则影响到车辆续驶里程的利 用率即电池容量的利用率，车辆的续驶里程是反应车 辆性能和实用性的重要指标。课题也给出基于剩余电 量SOC 的车辆续驶利用率，即把单位公里用电量进 行核算，形成的每条线路运营长度范围[4-9]。 4. 电动公交车配车规模与备用电池 比例测算 结合北京市现有常规公交线路车速，高峰断面客 流量和线路空间分布特点下的运营调度方案。 1) 备用电池数量 依据现有的电池快速更换技术来讲，针对纯电动 公交车，每辆车的电池更换所用时间约 10 分钟左右。 而备用电池是针对电动公交车数量较多，因此车辆的 电池更换时间就比较可观[10-13]。备用电池的作用就是 在换下来的电池没有充满而又有车辆需换上电池时 的电池。对于纯电动公交车确定备用电池的数量，给 出纯电动公交配车数与备用电池适合比例范围可得 以下备用电池数量求解公式： ch r b c TN N T (3) Copyright © 2013 Hanspub 228  城市电动公交车运用参数测算分析 式中，为备用电池数， 为充电时间 b Nch T1 ch T ， 为备用电池储备系数。 此种方法计算出的 为所需备用电池最大量， 若对具体的运营方案进行设计优化，值还可进行 缩减。因此结合以往经验 b N b N 值一般可取值为 1。一般 备用电池有 10%的裕量。 2) 充电站服务能力计算 rr c c TN N T c C (4) 式中，为每天最多服务车次， 为前后车辆影响 等环节的储备系数。 c Nc C 对于 主要考虑到由于电池更换车间一般采用 多更换信道，每信道为至少两辆车提供电池更换服 务。因此更换电池时若同时有两辆或以上车辆进行电 池更换，通道内前后车会存在一定的影响而带来实际 更换时间增加。其次，每天可用于更换电池的时间有 可能少于规定工作时间。结合以往经验取 0.8为宜。 c C c C 结合城市公交日常运营的高峰配车、发车间隔、 不同车型的车辆满载率、高峰断面车速、线路全程时 间和客流断面流量等参数公式，形成的不同线路调度 方案，以及常规公交车的运营调度转化成电动公交车 容量、发车间隔、运行速度下的续驶里程和电池更换 等参数关系[14-17]。 进行电动公交车理论运行速度和道路工况下实 际运行速度的配车数和备用电池相关参数测算结果 如图 9和图10 所示。 因此，选择高峰断面流量和线路工况条件较好的 公交线路替换为电动公交车运行，车辆和备用电池增 长比例均可在 1.1~1.4 倍理论技术范围内。在线路车 速低于 20 km/h的公交线路，建议采用常规和纯电动 公交混合开行方案。 5. 小结 本文结合城市常规公交线路运营技术条件和组 织，给出电动公交车替换常规公交车运行线路适宜条 件，并结合城市道路工况下电动公交车运行基本技术 经济特点和电池续驶里程、不同充换电时间限制以及 公交场站与充电站德位置关系等主要指标，进行多种 类型公交线路的替换方案分析，形成电动公交车开行 的线路基本特点和充电站规模和电池储备能力分析， 为北京市大力推动纯电动公交车运营提供分析基础。 从而为北京市大力发展节能减排的城市公共交通，实 现交通结构调整提供技术参考。 本文是在国家社会科学基金资助下，在此感谢课 题团队老师，并对研究的阶段成果提出许多宝贵意 见，使得文稿内容不断完善。 1. 6 2.5 3. 3 1.9 1. 0 2.1 1. 2 0.7 1. 4 2.0 3. 5 1. 6 1. 3 1. 6 2. 1 1.8 1. 9 1. 7 3. 1 1. 2 1. 7 5. 5 4. 4 0 40 80 120 160 8162655607982116 121 125 377 393 413 425 445 454 463473 476 483 487 537 558 线路号 0% 50% 100 % 150 % 200 % 250 % 300 % 350 % 400 % 450 % 500 % 550 % 常规配车数 电动车配车数 备用电池比（V理论，μ剩余电量） 备用电池比（V理论，μ续驶里程） 配车比（V理论，μ续驶里程） Figure 9. The calculation results on 50% load, the theoretical speed, continuous driving mileage/SOC 图9. 满载率 50%计算结果(速度为理论车速，续驶里程利用率 μ/剩余电量计算) Copyright © 2013 Hanspub 229  城市电动公交车运用参数测算分析 1.2 1.9 2.6 1.5 0.8 1. 7 0. 9 0. 5 1. 1 1. 4 2. 6 1.3 1.1 1.2 1.8 1.5 1. 5 1. 3 2. 3 0. 9 1. 4 4. 1 3.5 0 40 80 120 160 8162655607982116 121 125 377 393413 425 445 454 463 473 476 483 487 537 558 线路号 0% 50% 100 % 150 % 200 % 250 % 300 % 350 % 400 % 450 % 500 % 常规配车数 电动车配车数 备用电池比（V理论，μ剩余电量） 备用电池比（V理论，μ续驶里程） 配车比（V理论，μ续驶里程） Figure 10. The calculation results o n 65% load, the theoretical speed, continuous driving mileage/SOC 图10. 满载率 65％计算结果(速度为实际车速，续驶里程利用率μ/剩余电量计算) 6. 致谢 本论文是基于“电动公交充电站布局及公交场站 用地指标研究”项目的支撑，在论文的编写过程中， 我要感谢公交总公司的同志们对我工作的支持，特别 感谢王昊明对我提出的建议，同时提供了本论文中涉 及的原始数据。 参考文献 (References) [1] 詹运洲. 城市客运交通政策研究及交通结构优化[M]. 北京: 人民交通出版社, 2001. 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