基于車(chē)聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的油電混合動(dòng)力公交車(chē)城市道路節(jié)油適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)分析

陳志勇，覃日娜，楊 軍，關(guān)志偉

（1.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545000；2.柳州軌道交通集團(tuán)恒達(dá)巴士有限公司，廣西 柳州 545000；3.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222）

0 引言

進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái)，能源危機(jī)、環(huán)境污染、溫室效應(yīng)成為了困擾人類(lèi)發(fā)展的難題。隨著新能源汽車(chē)技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來(lái)越多的國(guó)家也在逐步加大對(duì)新能源汽車(chē)的普及力度。雖然目前我國(guó)各大城市均在廣泛普及使用純電動(dòng)公交車(chē)，但仍有大量的油電混合動(dòng)力公交車(chē)還在服役期，油電混合動(dòng)力公交車(chē)具有即節(jié)油且又不需要依靠充電站等技術(shù)設(shè)施的特點(diǎn)，使用非常便利。正因?yàn)槿绱?，在我?guó)大部分二、三線(xiàn)城市中，油電混合動(dòng)力公交車(chē)目前仍是性?xún)r(jià)比最高、使用最多、技術(shù)運(yùn)用最成熟的一種新能源車(chē)型[1]。

油電混合動(dòng)力公交車(chē)之所以節(jié)油，是由于它通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)一直運(yùn)轉(zhuǎn)在最佳功率轉(zhuǎn)速區(qū)間，把富余的能量存儲(chǔ)起來(lái)，并將再生制動(dòng)時(shí)制動(dòng)能量回饋[2]；其整車(chē)起步可以采用純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的方式，降低起步時(shí)的能耗，而行駛加速和急加速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在最佳燃油經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速區(qū)間，電池能量轉(zhuǎn)換成電機(jī)的助力扭矩實(shí)現(xiàn)助力[3]；當(dāng)其運(yùn)轉(zhuǎn)在最佳燃油經(jīng)濟(jì)性轉(zhuǎn)速區(qū)間并且有富余能量時(shí)，能把富余的能量存儲(chǔ)起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)節(jié)油的目的[4]。油電混合動(dòng)力公交車(chē)燃油消耗量與車(chē)輛使用環(huán)境，當(dāng)?shù)氐貐^(qū)的大氣壓力、空氣溫度、密度、運(yùn)行工況、路況等都有較大的關(guān)系[5]。本文基于廣西柳州城市道路，擬利用公交車(chē)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開(kāi)展油電混合動(dòng)力公交車(chē)和傳統(tǒng)柴油公交車(chē)的油耗對(duì)比實(shí)驗(yàn)。通過(guò)研究油電混合動(dòng)力公交車(chē)的油耗規(guī)律及其相對(duì)傳統(tǒng)純柴油公交客車(chē)的節(jié)油效果，對(duì)幫助城市公交企業(yè)進(jìn)一步優(yōu)化新能源車(chē)輛的運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路，最大限度地發(fā)揮油電混合動(dòng)力公交車(chē)的集群節(jié)油效果，實(shí)現(xiàn)國(guó)家節(jié)能減排有著非常重要的作用。

1 油電混合動(dòng)力公交車(chē)和傳統(tǒng)純柴油公交車(chē)的油耗實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣車(chē)的技術(shù)參數(shù)情況

為保證兩種車(chē)型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性，實(shí)驗(yàn)樣車(chē)的運(yùn)行線(xiàn)路，道路工況和運(yùn)行時(shí)段均完成相同。實(shí)驗(yàn)樣車(chē)為某企業(yè)品牌油電混合動(dòng)力公交車(chē)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“混動(dòng)公交車(chē)”）和柳州市在用運(yùn)營(yíng)的技術(shù)狀況良好且油耗相對(duì)較低的純柴油公交車(chē)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“傳統(tǒng)公交車(chē)”）。兩臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣車(chē)的尺寸、整備質(zhì)量和發(fā)動(dòng)機(jī)功率等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)基本相差不大，如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)樣車(chē)的基本技術(shù)參數(shù)對(duì)比表

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

借助公交車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采集公交車(chē)輛行駛線(xiàn)路軌跡、耗油量信息以及車(chē)輛行駛里程數(shù)等信息。原理類(lèi)似如圖1是一種公交車(chē)聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集車(chē)輛本身狀態(tài)感知的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[6]，公交車(chē)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)，將感知定位（可用于采集車(chē)輛行駛軌跡和行駛里程）、車(chē)載體系（可用于采集車(chē)輛燃油消耗量、平均時(shí)速、輪胎氣壓、行駛里程等信息）、云計(jì)算、云儲(chǔ)存、應(yīng)用系（百公里油耗等數(shù)據(jù)處理結(jié)果及應(yīng)用，含PC端或手機(jī)端）的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、交換和計(jì)算處理。

圖1 城市公交車(chē)車(chē)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本著模擬城市公交客車(chē)實(shí)際運(yùn)營(yíng)工況的原則，將實(shí)驗(yàn)車(chē)輛按照不同負(fù)載、不同運(yùn)營(yíng)時(shí)段、不同運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。每次實(shí)驗(yàn)前將每臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣車(chē)的油箱完全加滿(mǎn)，每臺(tái)實(shí)驗(yàn)車(chē)均裝上相同重量的沙包（模擬乘客）置于車(chē)廂內(nèi)作為負(fù)載，再用地磅稱(chēng)重計(jì)量車(chē)輛的質(zhì)量，確保兩臺(tái)實(shí)驗(yàn)車(chē)輛的整備質(zhì)量基本一致。實(shí)驗(yàn)車(chē)輛的行駛里程、平均時(shí)速、耗油量、百公里油耗數(shù)據(jù)全部通過(guò)公交車(chē)的車(chē)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行采集?；旌蟿?dòng)力公交客車(chē)的節(jié)油率=（傳統(tǒng)公交車(chē)的耗油量-混合動(dòng)力公交客車(chē)的耗油量）×100%/傳統(tǒng)公交車(chē)的耗油量。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和分析

2.1以車(chē)輛負(fù)載變化為研究對(duì)象的車(chē)輛油耗實(shí)驗(yàn)分析

本著模擬柳州市公交車(chē)實(shí)際運(yùn)營(yíng)工況的原則，根據(jù)柳州市公交車(chē)不同運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路的負(fù)載特點(diǎn)，按照100%載荷（約4.5 噸，折算約為80 人，適用于下班高峰期客流大且總是滿(mǎn)載的線(xiàn)路如11路、27 路）、80%載荷（約3.5 噸，折算約為60人，適用于站間距長(zhǎng)、線(xiàn)路長(zhǎng)和客流量較大的線(xiàn)路如快1、快7 線(xiàn)路）、45%載荷（約2.2 噸，折算約為35人，適用于市區(qū)平時(shí)客流量一般的線(xiàn)路如76路、79路和66路）三種負(fù)載變化進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。具體見(jiàn)表2及圖2。

表2 混動(dòng)公交車(chē)和傳統(tǒng)公交車(chē)在不同負(fù)載情況下的油耗實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

圖2 負(fù)載量

油耗分析如下：

（1）兩臺(tái)實(shí)驗(yàn)車(chē)輛在市區(qū)交通從平峰至高峰時(shí)期行駛時(shí)，載荷變化從45%～100%增加，傳統(tǒng)公交車(chē)油耗從22.99升/百公里上升到29.36升/百公里，上升率為28%，混動(dòng)公交車(chē)從17.92/百公里上升到19.62/百公里，上升率為9%；反映出混動(dòng)公交車(chē)隨著載荷的增加油耗上升率較為平緩，波動(dòng)不大。在100%滿(mǎn)載時(shí)比45%載荷時(shí)的節(jié)油率要高，體現(xiàn)出混動(dòng)公交車(chē)在滿(mǎn)載條件下（平均速度22 公里/小時(shí)左右）的良好的節(jié)油效果，也反映出傳統(tǒng)公交車(chē)的油耗隨著載荷的增加而顯著升高。

（2）兩臺(tái)實(shí)驗(yàn)車(chē)輛在相對(duì)順暢的線(xiàn)路行駛時(shí)，車(chē)輛常在最省油的速度（公交車(chē)平均45公里/小時(shí)左右）下運(yùn)行，以致兩臺(tái)實(shí)驗(yàn)車(chē)輛在負(fù)載80%載荷時(shí)的油耗反而略低于其負(fù)載45%載荷時(shí)的油耗?？梢?jiàn)在順暢道路工況下，混動(dòng)公交車(chē)的節(jié)油率降至最低，這說(shuō)明是線(xiàn)路的擁堵?tīng)顩r對(duì)車(chē)輛油耗的影響很大，混動(dòng)公交車(chē)在暢通路況下節(jié)油優(yōu)勢(shì)不及在擁堵路況下的節(jié)油優(yōu)勢(shì)大。

2.2 以線(xiàn)路擁堵?tīng)顩r為研究對(duì)象的車(chē)輛油耗實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)柳州市公交車(chē)運(yùn)營(yíng)工況一般在30%載荷至70%載荷范圍的特點(diǎn)，測(cè)試車(chē)輛同樣負(fù)載45%載荷（約2.2 噸，折算約為35 人），選擇市區(qū)繁華線(xiàn)路（較擁堵,平均車(chē)速約15km/h）、一般線(xiàn)路（一般擁堵，平均車(chē)速約21km/h）和郊區(qū)線(xiàn)路（順暢，平均車(chē)速約32km/h）的同一時(shí)間段共11 條線(xiàn)路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。具體見(jiàn)表3及圖3。

表3 混動(dòng)公交車(chē)和傳統(tǒng)公交車(chē)在不同線(xiàn)路情況下的油耗實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

圖3 不同線(xiàn)路情況下車(chē)輛的百公里油耗和節(jié)油率

油耗分析如下：

（1）從單車(chē)油耗上看，傳統(tǒng)公交車(chē)的油耗與道路擁堵?tīng)顩r呈正相關(guān)態(tài)勢(shì)，道路越擁堵，油耗上升率越高，上升率為22%；混動(dòng)公交車(chē)的油耗與道路擁堵變化的油耗上升率不高，僅為6%，體現(xiàn)混動(dòng)公交車(chē)單車(chē)油耗的穩(wěn)定性較好。

（2）從混動(dòng)公交車(chē)節(jié)油率上看，傳統(tǒng)公交車(chē)與混動(dòng)公交車(chē)相比較，混動(dòng)公交車(chē)呈現(xiàn)出極高的節(jié)油優(yōu)勢(shì)，兩者相比，擁堵路況節(jié)油率為34%，一般路況節(jié)油率為22%，暢順路況為20%，平均節(jié)油率高達(dá)27%。其節(jié)油規(guī)律是：道路越擁堵，節(jié)油率越高?？梢?jiàn)混合動(dòng)力公交車(chē)在線(xiàn)路擁堵的路況下運(yùn)營(yíng)更能體現(xiàn)其節(jié)油優(yōu)勢(shì)。

3 混動(dòng)公交車(chē)節(jié)油經(jīng)濟(jì)效益分析

以混動(dòng)公交車(chē)與傳統(tǒng)公交車(chē)在市內(nèi)繁華擁堵線(xiàn)路上運(yùn)行的數(shù)據(jù)比較，綜合平均節(jié)油率取值25%（按照某公司車(chē)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的10 米傳統(tǒng)公交車(chē)的平均油耗25 升/百公里計(jì)算），則混動(dòng)公交車(chē)平均每百公里節(jié)約燃油6.25 升。若按其單車(chē)每年平均行駛70000公里計(jì)算，則每年可以節(jié)約燃油4375 升。再按照目前柴油單價(jià)7.24 元/升計(jì)算，則混動(dòng)公交車(chē)單車(chē)每年節(jié)約燃料費(fèi)用為31675元。今后隨著燃油資源的價(jià)格不斷增長(zhǎng)，車(chē)輛運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路的里程越多，其節(jié)油的經(jīng)濟(jì)效益將越顯著。另根據(jù)廠家報(bào)價(jià)，油電混合動(dòng)力公交車(chē)單價(jià)約為87 萬(wàn)元，現(xiàn)國(guó)家各類(lèi)補(bǔ)貼后企業(yè)的實(shí)際購(gòu)車(chē)款約為70 萬(wàn)元，而同等的傳統(tǒng)柴油公交車(chē)單價(jià)約為60 萬(wàn)元。由于油電混合動(dòng)力公交車(chē)日常維護(hù)維修費(fèi)用僅略高于傳統(tǒng)柴油公交車(chē)[7]，可見(jiàn)配置油電混合動(dòng)力公交車(chē)后運(yùn)行3 年即基本收回購(gòu)車(chē)差價(jià)10 萬(wàn)元。如按一臺(tái)油電混合動(dòng)力公交車(chē)有效使用壽命10 年計(jì)算，預(yù)計(jì)車(chē)輛使用到報(bào)廢節(jié)約燃油費(fèi)用約20萬(wàn)元。

以混動(dòng)公交車(chē)與傳統(tǒng)公交車(chē)在繁華擁堵線(xiàn)路和順暢線(xiàn)路運(yùn)行情況下的節(jié)油經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比分析，根據(jù)本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)算，在繁華擁堵線(xiàn)路上運(yùn)行混動(dòng)公交車(chē)比傳統(tǒng)公交車(chē)的每年可節(jié)油燃油44040.92 元，相比傳統(tǒng)公交車(chē)其節(jié)油效果非常明顯，約為其在順暢線(xiàn)路上運(yùn)行節(jié)約值（21488.32元）的兩倍，如表4所示。

表4 繁華擁堵線(xiàn)路和通暢順線(xiàn)路混動(dòng)公交車(chē)和傳統(tǒng)公交車(chē)的經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比表

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，油電混合動(dòng)力公交車(chē)與傳統(tǒng)純柴油公交車(chē)比較，在各種載荷、線(xiàn)路運(yùn)行時(shí)其油耗均能保持相對(duì)穩(wěn)定，不會(huì)因?yàn)檩d荷、線(xiàn)路等變化而出現(xiàn)油耗大幅波動(dòng)，在城市各道路的節(jié)油效果具有廣泛的適應(yīng)性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，油電混合動(dòng)力公交車(chē)的平均節(jié)油率可達(dá)到25%左右，節(jié)油效果顯著，且車(chē)輛負(fù)載越大、路況越擁堵，節(jié)油效果越明顯，因此該車(chē)型尤其適宜配置在市區(qū)繁華、客流量大、交通擁堵的公交線(xiàn)路上運(yùn)營(yíng)，而不適宜在交通暢順的線(xiàn)路上運(yùn)行。對(duì)于目前仍有混合動(dòng)力公交車(chē)在運(yùn)營(yíng)的公交企業(yè)而言，只有將該類(lèi)車(chē)輛集中配置在客流大，路況擁堵的線(xiàn)路上運(yùn)營(yíng)，才能將油電混合動(dòng)力公交車(chē)的集群節(jié)能效果發(fā)揮到最大化。