新能源公交客車爬坡與燃耗性能測(cè)試方法

閆晟煜， 肖 媛

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 汽車學(xué)院，西安，710064；2.西安市公共交通總公司，西安，710077)

西安白鹿原的上原線路客流量大，公交車輛常處于滿載、超載的運(yùn)行工況；連續(xù)坡道多且大，上坡坡道長(zhǎng)度達(dá)6.87 km；公交線路上直角彎多，且彎道半徑小，車輛轉(zhuǎn)彎難度大；公交線路上，社會(huì)車輛多、路窄，常發(fā)生交通堵塞，導(dǎo)致車輛連續(xù)起步，擔(dān)負(fù)著客運(yùn)通道的240路、241路是整個(gè)西安地區(qū)公交車輛中運(yùn)行環(huán)境最為復(fù)雜的公交線路.

原240路、241路采用恒通牌CNG燃料車輛，運(yùn)行可靠，但該批次車輛使用年限即將屆滿.為了驗(yàn)證插電式混合動(dòng)力公交客車和純電動(dòng)公交客車是否能夠承擔(dān)繁重的客運(yùn)任務(wù)，需要測(cè)試2種新能源車輛分別在滿載和超載工況下的爬坡性能，通過研判公交車輛對(duì)白鹿原坡道的適應(yīng)性，進(jìn)而擇優(yōu)選取.

現(xiàn)有的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[1-3]旨在測(cè)試車輛滿載時(shí)的最大爬坡度，而公交車輛常處于超載運(yùn)行狀態(tài)；要求了8～10 m的加速距離，而處于運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的公交車輛常在坡道上起步加速；當(dāng)對(duì)2種爬坡能力相近的公交車輛作比較時(shí)，難以尋找到合適的坡度來完成最大爬坡度的測(cè)試.目前鮮有研究新能源車輛爬坡性能的文獻(xiàn)，則需要針對(duì)具體坡道制定車輛爬坡性能試驗(yàn)方案.

1 測(cè)試線路情況

1.1 車輛性能參數(shù)

選取2輛不同類型、性能基本相同的新能源測(cè)試車，動(dòng)力性能方面具備可比性，見表1.

表1 測(cè)試車輛性能參數(shù)

1.2 公交線路

240路、241路上原線路基本重合.以240路為例，上行線路為火車站至白鹿原公交樞紐站，僅上原路段海拔最大高差為299 m，上坡段平均道路縱坡度為4.35%，特別是在西鐵看守所至思源學(xué)院段內(nèi)，229 m內(nèi)海拔上升20 m，即平均縱坡度為8.76%.經(jīng)過西安航空旅游學(xué)院后的道路縱坡變化不明顯，見圖1.

圖1 240路公交線路道路平均縱坡度

由圖1可見，將道路縱坡明顯的5段爬坡加速路段設(shè)置為第1～5原地起步加速測(cè)試坡道.

2 爬坡性能測(cè)試方案

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

爬坡性能評(píng)價(jià)指標(biāo)以第1～5測(cè)試坡道坡底原地起步加速的平均加速度(m·s-2)為準(zhǔn)，經(jīng)預(yù)測(cè)試，第1～5測(cè)試坡道內(nèi)2輛測(cè)試車的最高穩(wěn)定車速難以達(dá)到40 km·h-1，所以，細(xì)分為0～10 km·h-1、10～20 km·h-1和0～25 km·h-1的平均加速度；輔以攀爬同樣坡道時(shí)2輛測(cè)試車輛所能達(dá)到的最高穩(wěn)定車速，以及整個(gè)測(cè)試坡道內(nèi)的單程上下坡耗氣/耗電量分析.

2.2 測(cè)試儀器與配載模擬

Racelogic VBOX 3i可以測(cè)試車輛實(shí)時(shí)方位、車速、海拔，監(jiān)控加速踏板開閉時(shí)刻，配合陀螺儀的使用，可獲得對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)車輛加速度和車輛運(yùn)行軌跡.方位精度為±0.05 m、速度為±0.01 km·h-1、加速度為±0.01 m·s-2，采樣頻率可達(dá)100 Hz，測(cè)試參數(shù)量程均滿足公交客車測(cè)試參數(shù)的要求值[4].

通過在高峰時(shí)段內(nèi)調(diào)查240路各站上車人數(shù)、下車人數(shù)、到站時(shí)間、發(fā)站時(shí)間，經(jīng)計(jì)算車輛超載狀態(tài)下，車輛在爬坡路段內(nèi)的最大車上人數(shù)為105人即超載20%.分別按照滿載和超載20%的狀況對(duì)測(cè)試車輛搭配負(fù)載，模擬240路車輛常規(guī)運(yùn)行狀況.平均乘客重量按65 kg計(jì)算，滿載時(shí),測(cè)試車輛配載為4.5 t沙袋和17名乘客，超載20%時(shí)，測(cè)試車輛配載為4.5 t沙袋和35名乘客，則混合動(dòng)力公交客車在滿載和超載20%條件下的總重分別為18.41 t、19.58 t，純電動(dòng)公交客車總重為17.81 t、18.98 t；測(cè)試時(shí)空調(diào)開啟同樣溫度，駕駛員均為240路駕駛員[5].

2.3 爬坡過程控制

隨車配備1名引導(dǎo)員，提示駕駛?cè)税匆?guī)定操

作、按測(cè)試線路行駛.記錄遇信號(hào)燈停車和因道路擁堵的停車時(shí)間.遇測(cè)試線路公交站牌即停即走，統(tǒng)計(jì)上坡起終點(diǎn)車輛運(yùn)行時(shí)長(zhǎng).

第1～5測(cè)試坡道段內(nèi)，車輛原地起步加速至最高穩(wěn)定車速，連續(xù)進(jìn)行5次；除第1～5測(cè)試坡道段的其他公交站間內(nèi)，測(cè)試車輛的車速要有1次達(dá)到30 km·h-1，從而保證最終燃耗的可比性.除第1～5測(cè)試坡道外的其余站間，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況盡量滿足暢通工況的行駛車速要求，見圖2.

圖2 其它站間車輛運(yùn)行規(guī)律

3 爬坡性能分析比較

3.1 最高穩(wěn)定車速與平均加速度

采集240路第1～5測(cè)試坡道段內(nèi)的最高穩(wěn)定車速、加速度等數(shù)據(jù)，測(cè)算得到測(cè)試坡道內(nèi)的最高穩(wěn)定車速和0～25 km·h-1的平均加速度結(jié)果，見表2.受雨天和樹枝遮擋，第3圈部分純電動(dòng)公交客車的數(shù)據(jù)未采集完全.

表2 測(cè)試坡道的最高穩(wěn)定車速與0～25 km·h-1的平均加速度(km·h-1/ m·s-2)

由表2可見，滿載下混合動(dòng)力城市客車最高穩(wěn)定車速介于27～38 km·h-1，純電動(dòng)城市客車最高穩(wěn)定車速介于25～31 km·h-1；超載20%下，混合動(dòng)力城市客車最高穩(wěn)定車速介于27～36 km·h-1，純電動(dòng)城市客車最高穩(wěn)定車速介于25～29 km·h-1.混合動(dòng)力公交客車在第1～5測(cè)試坡道內(nèi)的最高穩(wěn)定車速表現(xiàn)明顯優(yōu)于純電動(dòng)公交客車.車輛在坡道上運(yùn)行時(shí)，最高穩(wěn)定車速與最大輸出扭矩關(guān)系密切[6].

0～25 km·h-1車速范圍內(nèi)，滿載下的純電動(dòng)公交客車的加速度相當(dāng)于混合動(dòng)力公交客車的47.04%～77.78%；超載20%下的純電動(dòng)公交客車的加速度相當(dāng)于混合動(dòng)力公交客車的44.00%～86.02%.

0～10 km·h-1車速范圍內(nèi)，純電動(dòng)公交客車加速性能優(yōu)異，與電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力輸出和響應(yīng)時(shí)間等特性有關(guān)，滿載下其坡道1、坡道5的平均加速度超過混合動(dòng)力公交客車，當(dāng)其超載達(dá)到20%后，純電動(dòng)公交客車的0～10 km·h-1內(nèi)的速度提升明顯放緩.

混合動(dòng)力公交客車搭載的驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器，雖提供了較大輸出扭矩，從電機(jī)控制器溫度的統(tǒng)計(jì)來看，電機(jī)控制器溫度偏高，并不能簡(jiǎn)單地通過加大電機(jī)控制器冷卻功率達(dá)到溫控平衡，電機(jī)控制器的可靠性有待論證.因其動(dòng)力電池容量明顯小于純電動(dòng)公交客車，高頻次的大充放電電流對(duì)電池儲(chǔ)能衰減的影響則需要通過長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)監(jiān)控得以實(shí)現(xiàn).

該測(cè)試方法分別在滿載和超載20%的配載下，運(yùn)用了0～10 km·h-1、10～20 km·h-1、0～25 km·h-1的分段平均加速度比較車輛爬坡性能，并連續(xù)測(cè)試車輛坡道起步性能，符合公交車輛的實(shí)際運(yùn)行工況，又間接地反映了電機(jī)控制器在高負(fù)載下的運(yùn)行穩(wěn)定性；設(shè)置專用的測(cè)試坡道1～5來測(cè)試2輛新能源公交客車所能達(dá)到的最高穩(wěn)定車速，也是反映車輛動(dòng)力性能的有效指標(biāo)之一，兼顧體現(xiàn)了車輛在上述配載條件下的保持最大爬坡能力穩(wěn)定性.

3.2 燃料消耗量

與爬坡性能測(cè)試同步進(jìn)行了測(cè)試車輛的燃耗測(cè)試，結(jié)果見表3.

表3 燃耗情況測(cè)試結(jié)果

混合動(dòng)力公交客車加氣完成后，CNG燃料需要沉淀，常會(huì)產(chǎn)生“氣虛”現(xiàn)象，該現(xiàn)象只在剛加滿氣后第1次行駛中出現(xiàn)，此時(shí)氣瓶出口端壓力表的顯示值未必準(zhǔn)確，故加滿CNG后，第1次燃耗數(shù)據(jù)不能作為對(duì)比基數(shù)[7].

由表3可見，混合動(dòng)力公交客車在240路爬坡路段往返1次耗氣1.1～1.5 MPa.以第2次、第3次超載情況估計(jì)：240路測(cè)試路段混合動(dòng)力公交客車的耗氣值預(yù)計(jì)在1.3±0.2MPa.混合動(dòng)力公交客車冬季充滿氣的上限值約為20.0 MPa，通常車輛在2.0 MPa左右，駕駛員選擇回程加氣.依此估算：混合動(dòng)力公交客車可以在該測(cè)試路段連續(xù)運(yùn)行12.0～13.8次.

純電動(dòng)公交客車在240路爬坡路段單次耗電11.3%～12.7%.值得注意的是，該純電動(dòng)公交客車在下坡段制動(dòng)狀態(tài)下回收電能效果顯著，下坡測(cè)試段僅耗電2.1%～2.3%；而在上坡段消耗電能過大，為9.2%～10.4%.按充電上限值100%計(jì)算，通常車輛在剩余電量為20%時(shí)，駕駛員選擇回程充電.依次估算：純電動(dòng)公交客車可以在該測(cè)試路段連續(xù)運(yùn)行6.3～7.1次.

綜上，混合動(dòng)力公交客車在240路測(cè)試路段(公交八公司—白鹿原公交樞紐站)是純電動(dòng)公交客車?yán)m(xù)航里程的2倍左右，充加燃料的頻率較低一些.而且，240路不僅包含了爬坡路段，還包含了火車站到公交八公司的12.3 km非爬坡路段，相比之下，混合動(dòng)力公交客車會(huì)更適應(yīng)240線路的運(yùn)營(yíng)狀況；因充氣(電)的頻率不同，導(dǎo)致對(duì)240路、241路配車數(shù)不同，車輛調(diào)度頻次要求不同，基礎(chǔ)設(shè)施和工人設(shè)崗配額也會(huì)不同.

該測(cè)試方法適用于傳統(tǒng)清潔能源車輛和新能源車輛的爬坡性能測(cè)試，測(cè)試過程中運(yùn)用VBOX 3i采集了速度、加速度、海拔、行駛里程等信息，同時(shí)采集和記錄上坡段起止氣壓(或SOC)燃耗信息，可以用于分析公交車輛在動(dòng)力性能和燃耗性能之間的折中點(diǎn)，綜合考慮運(yùn)營(yíng)效果，根據(jù)公交線路實(shí)際情況選配車輛.

由于測(cè)試車輛為新能源車輛，均無配備手動(dòng)擋變速器，駕駛員僅需操作加速踏板，在0～25 km·h-1的平均加速度測(cè)試結(jié)果受駕駛員操作影響??；采用了VBOX 3i測(cè)試，測(cè)試精度高，規(guī)避了受人工記錄加速時(shí)間影響到數(shù)據(jù)采集精度的問題，具有適用范圍寬、可操作性強(qiáng)的特點(diǎn)，測(cè)試時(shí)對(duì)道路交通擁堵狀況要求較高，建議避開車流高峰期.該方法對(duì)測(cè)試山區(qū)城市道路公交客車的爬坡性能測(cè)試有指導(dǎo)意義.

3.3 下長(zhǎng)坡問題

車輛重載、環(huán)境溫度高、頻繁行車制動(dòng)等惡劣工況疊加[8-11]，測(cè)試過程中，新能源公交客車的前制動(dòng)器兩側(cè)制動(dòng)摩擦片溫度會(huì)有超過200 ℃的情況.假設(shè)長(zhǎng)下坡坡道更長(zhǎng)，行車制動(dòng)更加頻繁時(shí)，為適配特殊公交線路，新能源車輛應(yīng)配備有輔助制動(dòng)裝置，使公交企業(yè)承擔(dān)較小的運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn).

4 結(jié) 論

1)混合動(dòng)力公交客車在第1～5測(cè)試坡道內(nèi)的最高穩(wěn)定車速表現(xiàn)明顯優(yōu)于純電動(dòng)公交客車.0～10 km·h-1車速范圍內(nèi)，純電動(dòng)公交客車加速性能優(yōu)異，但在0～25 km·h-1車速范圍內(nèi)，測(cè)試的純電動(dòng)公交客車平均加速度相低于混合動(dòng)力公交客車.

2)運(yùn)用了0～10 km·h-1、10～20 km·h-1、0～25 km·h-1的分段平均加速度比較車輛爬坡性能，又間接地反映了電機(jī)控制器在高負(fù)載下的運(yùn)行穩(wěn)定性，運(yùn)用車輛最高穩(wěn)定車速反映了車輛保持最大爬坡能力穩(wěn)定性.該測(cè)試方法符合公交車輛的實(shí)際運(yùn)行工況，可操作性強(qiáng)，適用于山區(qū)城市道路的新能源車輛測(cè)試與選配.

3)新能源公交客車的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)僅能提供有限的制動(dòng)效能，當(dāng)針對(duì)公交線路中有長(zhǎng)下坡路段選配車型時(shí)，應(yīng)配備變速器和車輛輔助制動(dòng)系統(tǒng)(如電渦流緩速器等)，降低運(yùn)營(yíng)安全隱患，也節(jié)省制動(dòng)器摩擦片的消耗.

4)車廂內(nèi)座椅布置是影響站立密度的重要因素，也是根據(jù)公交線路對(duì)車輛選型的關(guān)鍵.若某公交線路客流量長(zhǎng)期維持高態(tài)，車輛選型時(shí)不必加大發(fā)動(dòng)機(jī)功率等硬性配置，可以通過改變座椅布置柔性調(diào)節(jié)車上人數(shù)，強(qiáng)迫車輛承載不達(dá)上限，增加線路配車數(shù)是合理的選擇，特別是有坡道的線路.