重型CNG混合動力城市客車能耗試驗(yàn)分析

曹冬冬，王學(xué)平，劉桂彬，王長園，周榮

（1.河北工業(yè)大學(xué)，天津300401；2.中國汽車技術(shù)研究中心，天津300300）

重型CNG混合動力城市客車能耗試驗(yàn)分析

曹冬冬1，2，王學(xué)平2，劉桂彬2，王長園2，周榮1，2

（1.河北工業(yè)大學(xué)，天津300401；2.中國汽車技術(shù)研究中心，天津300300）

對我國現(xiàn)行的重型車能耗限值和能耗試驗(yàn)方法相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行介紹，對傳統(tǒng)CNG客車和CNG混合動力客車按照GB/T 19754-2015規(guī)定的方法進(jìn)行測試，試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析表明，CNG混合動力客車在能耗方面優(yōu)于傳統(tǒng)CNG客車，其節(jié)能效果主要體現(xiàn)在怠速、起動以及減速階段。

CNG混合動力客車；能耗測試；節(jié)能效果

城市客車是目前主要的公共交通工具之一，在我國現(xiàn)代城市交通運(yùn)輸中占據(jù)著十分重要的地位。由于城市道路特殊的運(yùn)行工況導(dǎo)致車輛燃料消耗量大，混合動力汽車可以按照實(shí)際運(yùn)行工況要求靈活控制多種動力源的分配，從而確保發(fā)動機(jī)工作在綜合性能最佳的區(qū)域內(nèi)，能夠有效降低燃料消耗。另外，我國天然氣資源豐富，開發(fā)利用潛力大、可操作性強(qiáng)且具有清潔環(huán)保、價格相對低的優(yōu)勢。因此，在我國開發(fā)天然氣混合動力城市客車具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價值［1］。

1　重型車能耗國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

2014年7月1日正式執(zhí)行的GB 30510-2014是國家關(guān)于重型商用車燃料消耗量限值的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)［2］，適用于總質(zhì)量大于3 500 kg的燃用汽油和柴油的商用車輛。該標(biāo)準(zhǔn)基于GB/T 27840-2011《重型商用車綜合工況燃料消耗測試方法》［3］，并根據(jù)不同的質(zhì)量段對燃料消耗量限值進(jìn)行了規(guī)定。從規(guī)定中可以發(fā)現(xiàn)，城市客車隨車重的增加，燃料消耗量迅速增長，與一般客車燃料消耗量的差值不斷增加，當(dāng)車重超過25 t時，城市客車的燃料消耗限值高達(dá)49 L/100 km，而同質(zhì)量段的一般客車僅為29.5 L/100 km，增加了66.1%。圖1顯示了這一變化規(guī)律，可見城市客車的節(jié)油潛力較大，如果推行城市客車混合動力化，將能夠比較明顯地降低城市公共交通中的燃料消耗量。

圖1　一般客車和城市客車燃料消耗量限值比較

美國汽車工程師協(xié)會SAE于2002年9月頒布實(shí)施的SAEJ2711-2002《混合電動車和重型車燃料經(jīng)濟(jì)性和排放的推薦規(guī)程》［4］，為重型混合動力車輛和傳統(tǒng)車輛在底盤測功機(jī)上進(jìn)行能耗測試提供了精確、統(tǒng)一、可再現(xiàn)的試驗(yàn)程序，并從混合動力車輛的充電模式、冷熱起動狀態(tài)以及測試設(shè)備條件等多個方面分別作了詳細(xì)的規(guī)定。SAE J2711中推薦了三種測試循環(huán)，分別代表高速、中速以及低速市區(qū)循環(huán)，在進(jìn)行重型混合動力汽車燃油經(jīng)濟(jì)性評價時可根據(jù)汽車的實(shí)際行駛路況選擇合適的測試循環(huán)，以真實(shí)反映汽車的能耗。

我國現(xiàn)行的GB/T 19754-2015《重型混合動力電動汽車能量消耗量試驗(yàn)方法》［5］，是在參考SAE J2711根據(jù)我國重型混合動力汽車的基本能耗情況，在GB/T 19754-2005版本上修訂而成的。本標(biāo)準(zhǔn)用于測試總質(zhì)量大于3 500 kg的混合動力汽車的能耗，主要分為非外接充電型混合動力電動汽車和外接充電型混合動力電動汽車兩種類型，其中后者又分為有純電動行駛模式和無純電動行駛模式兩種。這里的純電動行駛是指車輛能夠在純電動模式下完成一個該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的中國典型城市公交循環(huán)（CCBC）。對于混合動力城市客車，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在65%載荷狀態(tài)下采用該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的CCBC循環(huán)；對于其他商用車輛，推薦在滿載狀態(tài)下采用GB/T 27840-2011規(guī)定的C-WTVC循環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)。

相對于上一版本，GB/T 19754-2015改進(jìn)了凈能量改變量（NEC）的測量與計算部分，NEC對于混合動力車型燃料消耗量的影響，是混合動力車型節(jié)能效果大小的關(guān)鍵因素。對于不可外接充電式混合動力汽車，為了真實(shí)比較混合動力電動汽車（HEV）和傳統(tǒng)汽車的燃料消耗量結(jié)果，HEV的數(shù)據(jù)必須進(jìn)行修正以保證NEC的影響降低到可忽略的范圍內(nèi)。同時新標(biāo)準(zhǔn)對于充電方式不同的重型混合動力電動汽車也規(guī)定了相應(yīng)的測試程序。

2　試驗(yàn)設(shè)計

2.1試驗(yàn)樣車

本次試驗(yàn)選取了傳統(tǒng)CNG城市客車和混合動力城市客車各一輛進(jìn)行試驗(yàn)，其中混合動力車型為非外接充電型電動汽車。試驗(yàn)車輛的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

CNG混合動力客車動力系統(tǒng)為混聯(lián)系統(tǒng)［6-7］，主要由CNG發(fā)動機(jī)、BSG電機(jī)、驅(qū)動電機(jī)及超級電容等組成。車輛在正常行駛過程中，當(dāng)離合器閉合時，發(fā)動機(jī)帶動驅(qū)動電機(jī)經(jīng)過變速器和主減速器，驅(qū)動車輛行駛；當(dāng)車輛行駛需要額外動力時，超級電容器放電，驅(qū)動電機(jī)工作為車輛提供動力。在正常行駛過程中，發(fā)動機(jī)富裕功率為超級電容器充電。當(dāng)離合器斷開時，超級電容器帶動驅(qū)動電機(jī)工作，驅(qū)動車輛行駛。在車輛制動過程中，制動能量通過驅(qū)動電機(jī)直接給超級電容器充電，進(jìn)行制動能量回收，從而達(dá)到節(jié)能的目的。其動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2試驗(yàn)方法

對于試驗(yàn)方法的要求，按照變量唯一原則，兩輛試驗(yàn)車均按照同一試驗(yàn)方法（GB/T 19754-2015）進(jìn)行測試，以保證對比試驗(yàn)的合理性。

按照GB/T 19754-2015的規(guī)定，試驗(yàn)車輛在65%載荷下采用2次CCBC進(jìn)行測試，對于非外接充電型混合動力電動汽車，首先要調(diào)整儲能裝置的能量，達(dá)到正常使用的荷電狀態(tài)，然后至少進(jìn)行3次試驗(yàn)，判斷試驗(yàn)結(jié)果是否有效、試驗(yàn)次數(shù)是否充分，再決定結(jié)束試驗(yàn)［5］。因此本文首先進(jìn)行3次試驗(yàn)，同時傳統(tǒng)CNG客車進(jìn)行3次對比試驗(yàn)，通過結(jié)果分析確定是否要增加試驗(yàn)次數(shù)。

2.3試驗(yàn)設(shè)備與場地

本試驗(yàn)選取重型底盤測功機(jī)作為測試儀器進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)室硬件設(shè)施如圖3所示。測試系統(tǒng)一共有2個功能分區(qū)構(gòu)成。試驗(yàn)間為車輛進(jìn)行試驗(yàn)操作的區(qū)域。底盤測功機(jī)測試設(shè)備，即轉(zhuǎn)鼓、風(fēng)機(jī)等安裝在試驗(yàn)間，另外進(jìn)行氣耗測試的油耗儀也安裝在試驗(yàn)間，電量計為便攜移動式儀器，在進(jìn)行測試時，電量計也放置在試驗(yàn)間；控制間安裝了底盤測功機(jī)主控計算機(jī)，是對整個實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行集中監(jiān)控的場所。

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

本試驗(yàn)在CCBC工況下對兩輛樣車進(jìn)行測量，測試結(jié)果如表2所示，其中，t1、t2、t3和T1、T2、T3分別代表CNG混合動力客車和傳統(tǒng)CNG客車的試驗(yàn)次序。

表2　試驗(yàn)樣車測試結(jié)果

3.1試驗(yàn)有效性判定

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，對非外接充電型混合動力汽車:在測試前后，當(dāng)試驗(yàn)車輛儲能裝置的凈能量變化值（NEC）與循環(huán)總驅(qū)動能量的比值的絕對值小于或等于1%時，試驗(yàn)所得的能耗結(jié)果不用修正；當(dāng)該比值大于1%，但小于等于5%時，試驗(yàn)所得的能耗結(jié)果則需要修正，標(biāo)準(zhǔn)推薦采用線性插值法進(jìn)行修正，以盡可能獲得NEC等于0時的能耗結(jié)果的修正值；當(dāng)該比值大于5%時，則認(rèn)為試驗(yàn)結(jié)果無效［6］。依據(jù)GB/T 19754-2015中的相關(guān)公式，可分別得到混合動力城市客車和傳統(tǒng)CNG客車的相關(guān)能量值，如表3所示。

按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，計算CNG混合動力客車凈能量變化值（NEC）與循環(huán)總驅(qū)動能量的比值，對于t1、t2、t3分別為4.2%、1.9%、-3.6%。可以看到，3組數(shù)據(jù)的NEC變化量的絕對值都在1%～5%范圍內(nèi)，不需要增加試驗(yàn)次數(shù)。但根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定試驗(yàn)所得結(jié)果需要修正，且有一組NEC的測試結(jié)果為負(fù)值，其余兩組為正值，故可以采用線性內(nèi)插值法得到NEC變化量為0時的燃料消耗量為34.102 24m3/100 km。

表3　混合動力客車和傳統(tǒng)CNG客車試驗(yàn)相關(guān)能量值

另外，測得的燃料消耗量和電能量消耗量3組數(shù)據(jù)的線性相關(guān)系數(shù)R2為0.820 3，依據(jù)GB/T 19754-2015的規(guī)定，滿足R2≥0.8的要求，認(rèn)為測量結(jié)果和實(shí)際數(shù)據(jù)的線性回歸可以接受。

3.2兩種車型能耗水平對比分析

由前面的計算可以得到CNG混合動力客車在NEC變化量為0時的百公里氣耗量為34.102 24m3，同時選擇傳統(tǒng)CNG城市客車3次試驗(yàn)的平均百公里氣耗量41.744 9m3做為對比量，節(jié)氣率為18.31%。

可以看出，相對于傳統(tǒng)CNG城市客車，CNG混合動力客車節(jié)能效果明顯。另外，CNG混合動力車型節(jié)能的主要原因可以通過對數(shù)據(jù)的分析進(jìn)行解釋，數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4　 CNG混合動力客車速度與能耗的關(guān)系

圖5　傳統(tǒng)CNG客車速度與能耗的關(guān)系

通過對比傳統(tǒng)CNG客車以及CNG混合動力客車的速度與能耗的曲線關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，混合動力客車的節(jié)能效果主要體現(xiàn)在車輛怠速、起動以及制動階段。怠速階段混合動力客車發(fā)動機(jī)停止工作，氣耗量為0；當(dāng)車輛起動時，BSG電機(jī)帶動發(fā)動機(jī)快速達(dá)到起動轉(zhuǎn)速，該過程也是由電機(jī)工作，發(fā)動機(jī)不參加工作，因此氣耗量也為0；在減速階段，混合動力客車發(fā)動機(jī)和電機(jī)同時工作，電機(jī)提供部分制動力，同時制動能量回收系統(tǒng)也開始工作，回收部分制動能量，從而降低能耗水平。而城市客車經(jīng)常在這種頻繁起停、怠速的工況下工作，因此混合動力系統(tǒng)的應(yīng)用能夠顯著降低城市客車的能耗水平，達(dá)到節(jié)能效果。

4　結(jié)論

本文通過對我國現(xiàn)行的重型車輛能耗測試方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，以及使用動力形式不同的兩輛重型城市客車按照GB/T 19754-2015中規(guī)定的方法進(jìn)行測試，可以得出以下結(jié)論:

1）GB/T 19754-2015充分考慮了重型混合動力車燃料消耗量測試過程中需要考慮的充電形式的不同，駕駛模式的改變，以及NEC改變量的影響等各方面因素，適用于重型混合動力商用車能耗的測量。

2）試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在行駛工況較為復(fù)雜的城市客車上使用混合動力系統(tǒng)會顯著降低能耗水平，節(jié)能效果主要體現(xiàn)在車輛怠速、起動以及制動階段。

［1］舒紅宇，王錕，陳齊平，等.天然氣混合動力城市客車動力系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)［J］.重慶大學(xué)學(xué)報，2012，（35）2:112-117.

［2］全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.重型商用車輛燃料消耗量限值:GB 30510-2014［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014:2.

［3］全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.重型商用車輛燃料消耗量測量方法:GB/T 27840-2011［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011:3.

［4］SAE 2711 2002-09，Recommended Prace For Measuring Fuel Economy and Emession of Hybrid-Electric and Conventional Heavy-Duty Vehicles［S］.SAERecommended Practice.

［5］全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.重型混合動力電動汽車能量消耗量試驗(yàn)方法:GB/T 19754-2015［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015:5.

［6］魏昌宏，郭俊.超級電容并聯(lián)式混合動力客車的能量消耗試驗(yàn)與計算［J］.客車技術(shù)與研究，2010，32（4）:45-47.

［7］張華，周榮.混聯(lián)式混合動力汽車控制策略開發(fā)與仿真研究［J］.汽車技術(shù)，2007（8）:27-29.

修改稿日期:2016-03-05

Analysison Energy Consum ption Testof Heavy Duty CNG Hybrid City Buses

Cao Dongdong1，2，Wang Xueping2，Liu Guibin2，WangChangyuan2，Zhou Rong1，2
（1.HebeiUniversity of Technology，Tianjin 300401，China；2.Chinese Automotive Technology&Research Center，Tianjin 300300，China）

The relative standardsof energy consumption limitsand testmethods for heavy vehicles in China now is introduced.Tests are done in accordancewith the GB/T 19754-2015 to a traditional CNG bus and a CNG hybrid bus.The comparative analysisof the tests results come to the conclusion that theenergy consumption performance of the CNG hybrid bus isbetter than the traditionalCNG bus.The energy-saving effectmainly comes from the idling，startingand deceleration phases.

CNG hybrid bus；energy consumption test；energy-savingeffect

U469.7；U467.4+98

B

1006-3331（2016）05-0059-04

國家科技支撐計劃:電動汽車及基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和測試技術(shù)研究項(xiàng)目（2015BAG07B00）

曹冬冬（1990-），男，碩士；主要從事電動汽車技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)研究。