CNG混合動力城市客車C-WTVC循環(huán)研究

張亞 楊萬江 肖偉

（中國汽車工程研究院股份有限公司）

城市客車是城市重要的公共交通工具之一，在我國現(xiàn)代城市交通運輸中占據(jù)著十分重要的地位。由于城市道路特殊的運行工況導致該類型車輛的燃料消耗量大，傳統(tǒng)能源城市客車目前已被純電動和插電式CNG混合動力所取代?；旌蟿恿ζ嚳梢园凑諏嶋H運行工況靈活控制多種動力源的分配，確保發(fā)動機工作在最佳工況，能夠有效降低燃料消耗量；制動時能量回收系統(tǒng)可以將車輛的動能轉換為電能存儲，進一步降低了車輛的綜合能耗；我國天然氣資源豐富，具有清潔環(huán)保、價格低廉的優(yōu)勢。因此，插電式CNG混合動力城市客車占據(jù)著重要的地位。

1 重型車能耗標準現(xiàn)狀

我國現(xiàn)行強制性標準GB30510—2018《重型商用車輛燃料消耗量限值》[1]適用于總質量大于3 500 kg的燃用汽油和柴油的商用車輛。該標準基于GB/T 27840—2011《重型商用車燃料消耗測試方法》[2]規(guī)定的C-WTVC測試循環(huán)，并根據(jù)最大總質量(GVW)對不同類別車型的燃料消耗量限值分別進行了規(guī)定。如下圖1所示，隨著GVW的增加，城市客車的燃料消耗量迅速增大，與客車燃料消耗量的差值不斷增加，當GVW超過25 t時，城市客車的燃料消耗限值高達41.5 L/100 km，而同質量段的一般客車僅為25 L/100 km，增加了66%。

圖1 城市客車和一般客車燃料消耗量限值比較

GB/T 19754—2015《重型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法》[3]適用于總質量大于3 500 kg的混合動力汽車，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，其中后者又分為有純電動行駛模式和無純電動行駛模式。對于混合動力城市客車，標準規(guī)定可在65%載荷狀態(tài)下采用中國典型城市公交循環(huán)(CCBC循環(huán))，或在滿載狀態(tài)下采用GB/T 27840—2011規(guī)定的C-WTVC循環(huán)進行試驗[3]。為了與汽油和柴油城市客車在同工況下比較提供參考，主要研究混合動力城市客車C-WTVC循環(huán)工況下的能耗。

2 CNG混合動力城市客車C-WTVC工況能耗測試設計

2.1 試驗樣車

本次試驗選取3家主流企業(yè)的3輛可外接充電型CNG混合動力城市客車進行試驗。樣車的主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 試驗樣車主要技術參數(shù)

3輛CNG混合動力城市客車的動力系統(tǒng)均為混聯(lián)結構，其結構示意如圖2所示，主要由CNG發(fā)動機、ISG電機、TM驅動電機、動力蓄電池、控制系統(tǒng)等組成。當離合器閉合時，發(fā)動機經(jīng)過AMT變速器帶動驅動電機，驅動車輛行駛；當車輛行駛需要額外動力時，動力蓄電池放電，驅動電機工作為車輛提供額外動力；正常行駛中發(fā)動機富余功率通過ISG電機為動力蓄電池充電。當離合器斷開時，動力蓄電池帶動驅動電機工作，驅動車輛行駛。在車輛制動過程中，制動能量通過驅動電機直接給動力蓄電池充電，進行制動能量回收，從而達到節(jié)能的目的。

圖2 CNG混合動力城市客車動力系統(tǒng)結構示意圖

2.2 試驗方法

2.2.1 室外道路滑行試驗

樣車均處于滿載狀態(tài)，屏蔽制動能量回收系統(tǒng)，按GB/T 27840—2011的附錄C，在標準試驗場的平直路段(縱向坡度＜0.1%)進行滑行。試驗用VBOX記錄數(shù)據(jù)。

2.2.2 室內(nèi)底盤測功機試驗

按道路滑行試驗測定計算的行駛阻力在重型底盤測功機上再現(xiàn)(期間需關閉制動能量回收系統(tǒng))，并設定負荷。

對本次3輛均包含純電動工作模式的外接充電型混合動力城市客車，首先調整動力蓄電池能量，達到制造廠規(guī)定的荷電狀態(tài)上限。然后按GB/T 18386—2017《電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法》[4]的規(guī)定以（40±3）km/h的車速進行純電續(xù)駛里程試驗(第1階段)；純電試驗后，每輛樣車連續(xù)進行6次C-WTVC市區(qū)循環(huán)試驗，根據(jù)試驗結果分析能量調整階段(第2階段)和能量消耗階段(第3階段)。試驗期間，使用功率分析儀測量動力蓄電池的端電壓、供電電流、累積功率等；使用氣耗儀測量發(fā)動機氣耗。

2.2.3 試驗環(huán)境條件

為盡可能減小溫度對試驗結果的影響，室外道路滑行環(huán)境溫度控制在20～35℃；室內(nèi)底盤測功機試驗環(huán)境溫度控制在20～30℃。

2.2.4 試驗車速公差及停止條件

車輛加速、等速和制動減速時，實際車速與理論車速允許偏差為±3 km/h。

純電續(xù)駛里程行駛試驗以車速達不到36 km/h或發(fā)動機自動啟動切換至混合動力模式停止。

3 試驗結果及分析

3.1 滑行試驗結果及分析

3輛樣車滿載滑行結果及擬合曲線如圖3所示。可以看出1號樣車滑行阻力最小，3號樣車滑行阻力最大。

圖3 樣車道路滑行阻力

3.2 能量消耗量測試結果及分析

根據(jù)標準要求，對包含純電工作模式的可外接充電型混合動力電動汽車的純電等速續(xù)駛里程階段、儲能裝置能量調整階段、電量平衡階段分別處理。

3.2.1 純電等速續(xù)駛里程能耗

在純電模式下對3輛樣車進行了等速續(xù)駛里程行駛試驗(第1階段)，測試結果如表2所示。由測試結果可以看出：1號樣車滑行阻力最小，電能消耗量最低；3號樣車滑行阻力最大，電能消耗量最高。

表2 純電模式等速續(xù)駛里程行駛試驗結果

3.2.2 C-WTVC循環(huán)工況能耗

C-WTVC循環(huán)工況分段判定依據(jù)：NEC相對變化量絕對值(以下簡稱“NEC比值”)＞5%的循環(huán)為儲能裝置能量調整階段；連續(xù)3次試驗NEC比值≤5%，則該部分為電量平衡階段。如果NEC比值≤1%，試驗結果無需修正；1%＜NEC比值≤5%時，按標準推薦的線性插值法進行修正，以獲得NEC變化量為0時的燃料消耗量。

3輛樣車各循環(huán)測試結果以及按標準計算的NEC比值見表3～表5，各樣車循環(huán)工況氣耗流量見圖4～圖6。

圖4 1號樣車各循環(huán)車速及氣耗流量

圖6 3號樣車各循環(huán)車速及氣耗流量

表3 1號樣車循環(huán)測試結果

表4 2號樣車循環(huán)測試結果

表5 3號樣車循環(huán)測試結果

圖5 2號樣車各循環(huán)車速及氣耗流量

由測試結果可以看出：1)1號樣車經(jīng)過第1次循環(huán)調整后，在第2、3、4次循環(huán)NEC比值均≤5%，達到規(guī)定的電量平衡條件；2號樣車6次循環(huán)NEC比值呈無規(guī)律變化；3號樣車6次循環(huán)NEC比值均＞5%，REESS持續(xù)充電；2)3號樣車滑行阻力最大，計算的試驗循環(huán)總驅動能量卻較小，分析是減速工況能量回收系統(tǒng)作用的結果。

根據(jù)上述試驗數(shù)據(jù)，2輛樣車沒達到電量平衡，嚴格按照標準設定條件沒辦法歸一化其綜合能耗。但為了各樣車間的橫向比對，參考標準對各循環(huán)的NEC變化量與NG燃料消耗量擬合，結果如圖7所示?？梢钥闯?，線性擬合度較好(R2≥0.9)，一定程度上也能夠表征樣車的能耗趨勢：1)2號樣車綜合能耗偏高。通過循環(huán)氣耗流量曲線發(fā)現(xiàn)，該車在車速40 km/h以下時，其發(fā)動機長期處于怠速狀態(tài)，該現(xiàn)象在純電續(xù)駛里程試驗中同樣存在(發(fā)動機長期怠速，但未參與驅動，也未對REESS進行充電，用于補充整車氣壓)；2)3號樣車雖然持續(xù)充電，但綜合能耗較低。通過循環(huán)氣耗流量曲線發(fā)現(xiàn)，該車在循環(huán)的怠速和低速階段發(fā)動機多處于不工作狀態(tài)；在高速加速階段發(fā)動機多處于最佳工作狀態(tài)；在減速階段，發(fā)動機迅速關閉，充分發(fā)揮能量回收系統(tǒng)的作用，持續(xù)為REESS充電，隨著SOC的升高，發(fā)動機在后續(xù)循環(huán)的介入強度有自動越弱的趨勢。

圖7 參考擬合曲線

4 結論

通過對3款主流CNG混合動力城市客車進行測試和結果分析，可以得出以下結論：1)帶能量回收系統(tǒng)的混合動力城市客車，滑行阻力大的車輛其綜合能耗未必大；2)C-WTVC工況測試中持續(xù)充電的混合動力車輛，其綜合能耗不一定高；僅通過6次循環(huán)就按標準得出整車控制策略不合理的結論不一定正確，整車控制策略的合理與否應以其綜合能耗為唯一判定依據(jù)；3)部分混合動力車輛在純電工作模式下，發(fā)動機在部分時段啟動為整車補充氣壓(不參與驅動，也不為REESS充電)，GB/T 19754—2015中關于純電工作模式結束的標志需要進一步細化，該部分消耗的燃料實際存在，也應明確如何處理；4)滿載狀態(tài)下混合動力城市客車按C-WTVC工況進行試驗，3個車型中有2個未達到GB/T 19754—2015所述的電量平衡條件，達到電量平衡的車型NEC比值也不能嚴格滿足SOC修正程序的要求，工況適用性有待進一步驗證。