景區(qū)道路純電動客車選型測試方案設(shè)計

詹振宇, 閆晟煜, 元軍鵬, 馬振祥

(中交第二航務(wù)工程局有限公司設(shè)計研究院, 武漢 430050)

景區(qū)純電動客車的選型是指通過選型測試,遴選適合景區(qū)復(fù)雜道路路況的純電動客車車型,以滿足景區(qū)游客的運輸需求。通過分析現(xiàn)有的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的測試場景無法覆蓋部分山地景區(qū)的復(fù)雜路況,不能滿足景區(qū)對純電動客車的選型需求。因此,本文提出一種針對景區(qū)復(fù)雜路況的選型測試方法,用于純電動客車的選型測試。

1 總體方案

我國有大量山地景區(qū),景區(qū)內(nèi)進行純電動客車道路試驗有其必要性:相較于傳統(tǒng)能源客車,不規(guī)則的山路坡道和彎道會對電池、電機等部件產(chǎn)生較大的壓力。本試驗方案為現(xiàn)場試驗,與傳統(tǒng)的實驗室試驗有所區(qū)別;在現(xiàn)場試驗的基礎(chǔ)上采取循環(huán)試驗法,完全模擬純電動客車電量降低至20%前在運行線路上的運行情況;結(jié)合山地景區(qū)線路起點海拔低,終點海拔高的特征,有針對性地作出區(qū)分,并提出上行試驗和下行試驗的側(cè)重指標(biāo)與試驗要求。

整體評價指標(biāo)的選擇:純電動客車的動力性通過在不同坡度路面的穩(wěn)定車速及不同速度區(qū)間的加速度來評價;制動能力主要通過緩速制動和緊急制動的相關(guān)指標(biāo)評價;經(jīng)濟性主要依據(jù)能量消耗率與制動能量回收效率評價。

景區(qū)純電動客車運營線路的特點是始發(fā)站與終點站海拔差較大,在景區(qū)單一的上下行運營路線中,通常往程整體為上坡道路,返程整體為下坡道路,因此測試時可將1個往返程作為1個試車循環(huán)。每個試車循環(huán)分為上行試驗和下行試驗。為分析不同坡度下的測試數(shù)據(jù),測試開始前,需采集路譜信息,以確定線路各點坡度。測試時車輛處于滿載狀態(tài),空調(diào)溫度為20 ℃,按景區(qū)規(guī)定正常行駛。

本文測試場地為某景區(qū)西線客運線路,該線路全長29 km,始發(fā)站為山底A站(西門換乘中心),終點站為山頂B站(臺懷鎮(zhèn)換乘中心),陡坡路段較多,對長、陡坡道路按照等距取樣,道路縱坡度基本在10%以內(nèi),結(jié)果詳見表1。

表1 某景區(qū)客運線路縱坡取樣

本文提出的測試方法優(yōu)點如下:①該測試方法屬于現(xiàn)場試驗,測試結(jié)果更接近車輛的真實運行工況;②在傳統(tǒng)測試方法的基礎(chǔ)上,增加了對三電部件的溫控檢測以及針對電池的續(xù)航能力測試,該方案適用于純電動客車的選型測試,同時也能兼容傳統(tǒng)能源客車的測試需求。

2 測試方法

2.1 上行試驗

上行過程主要側(cè)重動力性指標(biāo)是否滿足要求,其次需要采集耗電性能相關(guān)數(shù)據(jù),耗電性能數(shù)據(jù)在循環(huán)試驗中用于分析純電動客車的經(jīng)濟性能。本文上行試驗指標(biāo)的選取與分析主要依據(jù)文獻[1]中的相關(guān)內(nèi)容。

在測試動力性指標(biāo)時,采集實時速度、瞬時加速度、實時坡度。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[2-3],處理數(shù)據(jù)時可追蹤實時坡度,將道路分為[0,5%)、[5%,9%)、9%及以上3個坡度等級,根據(jù)對應(yīng)的實時車速,計算3個坡度等級下行駛時的平均穩(wěn)定車速,以此評價車輛的爬坡能力。評價動力性的另一個指標(biāo)是車輛爬坡時的加速度。將上坡過程分為[0,20)、[20,40)、40 km/h及以上3個速度區(qū)間,根據(jù)每個區(qū)間對應(yīng)的瞬時加速度,計算不同速度區(qū)間內(nèi)的平均加速度。

在上行試驗中記錄上坡續(xù)駛里程、荷電狀態(tài)(SOC)數(shù)據(jù),并計算每百公里電耗?；谖墨I [4-5]的研究可計算出仿真狀態(tài)下傳統(tǒng)客車的油耗指標(biāo),基于文獻[6]計算仿真狀態(tài)的百公里電耗為參照。對比仿真油耗、模擬電耗以及實際電耗,評估純電動客車經(jīng)濟水平。

與傳統(tǒng)能源客車相比,純電動客車通過動力電池、電機輸出動力,坡度較大時會加重三電部件工作負(fù)擔(dān),存在熱失控的風(fēng)險。上行試驗需實時監(jiān)控電池、電機和電控系統(tǒng)的溫度。根據(jù)文獻[7]的研究,在環(huán)境溫度高于40 ℃或者低于0 ℃時, 電池單體的放電效率明顯下降。在溫度小于-15.5 ℃或者大于53 ℃時, 電池的放電效率小于80%, 因此鋰離子動力電池不適宜在環(huán)境溫度小于-15.5 ℃或者大于53 ℃時無輔助熱管理運行。

2.2 下行試驗

下坡路段主要進行制動性能測試,需要完成緩速制動試驗和緊急制動試驗。緩速制動測試是為了測試車輛的抗熱衰退能力;緊急制動試驗是為了測試車輛防抱死(EBS)性能,避免出現(xiàn)滑移、甩尾的情況。

兩種試驗均需滿足GB 12676—2014《商用車輛和掛車制動系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗方法》[8]對車輛的制動力要求?？紤]景區(qū)實際運行中可能頻繁發(fā)生緩速制動與緊急制動,因此本測試方案要求在下行試驗中交替進行緊急制動試驗與緩速制動試驗,以模擬景區(qū)純電動客車真實運營條件。

實際運行中由于景區(qū)路況復(fù)雜,下坡車速一般在60 km/h以下,對于M3類客車,制動系統(tǒng)充分發(fā)揮作用時的制動指標(biāo)參考GB 12676—2014的指標(biāo),詳見表2。其中制動距離由開始減速時的實驗車速v確定。

表2 制動試驗性能指標(biāo)

緩速制動試驗根據(jù)GB 12676—2014在Ⅰ型試驗(衰退實驗)中的規(guī)定執(zhí)行。

緊急制動試驗測試緊急制動能力,制動力、平均減速度、制動距離指標(biāo)都應(yīng)滿足表2的要求。本文通過滑移率指標(biāo)判斷EBS是否充分發(fā)揮作用。當(dāng)EBS充分發(fā)揮作用時,車輪的滑移率應(yīng)保持在10%～30%的范圍內(nèi)?；坡视嬎愎綖?

s=(u-ωr)/u

式中:s為滑移率;u為車速;ω為車輪滾動角速度;r為車輪半徑。

純電動客車需要增加制動能量回收效率指標(biāo),試驗中要記錄下坡過程耗電數(shù)據(jù)以分析純電動客車的經(jīng)濟性。下行試驗中需采集下坡續(xù)駛里程、荷電狀態(tài)數(shù)據(jù),可采用百公里耗電量表征耗電性能。也可以根據(jù)上行試驗與下行試驗數(shù)據(jù)計算制動能量回收效率。

2.3 循環(huán)測試方式

基于上行試驗與下行試驗開展循環(huán)測試,循環(huán)測試側(cè)重于收集上行試驗與下行試驗的耗電數(shù)據(jù),綜合分析車輛經(jīng)濟性能,制定運營調(diào)度策略。每個試車循環(huán)包括一個上行試驗和一個下行試驗。循環(huán)試驗需要進行多組試車循環(huán)以獲取3～5組有效數(shù)據(jù)。

2.4 分析示例

按照表1路線進行循環(huán)測試,得到某款純電動客車測試的相關(guān)數(shù)據(jù)如下:

1) 上坡行車數(shù)據(jù)顯示,在[0%,5%)、[5%,9%)、9%及以上道路坡度等級下,穩(wěn)定車速分別為40.306、36.497、31.329 km/h;速度區(qū)間在[0,20) km/h、[20,40) km/h、40 km/h及以上,對應(yīng)的平均加速度分別為0.732、0.659、0.426 m/s2。本試驗中只針對單一配置的客車進行了測試,在實際應(yīng)用中,應(yīng)測試收集不同配置的純電動客車動力性數(shù)據(jù),橫向?qū)Ρ炔煌囆偷男阅?以選用更能滿足景區(qū)運營要求的客車。

2) 下行試驗得到緩速制動平均減速度為0.952 m/s2,測試過程減速度均在0.6 m/s2以上,表明緩速制動裝置制動力滿足要求;制動盤溫度無明顯增幅且均未超過270 ℃,表明未產(chǎn)生明顯的熱衰退現(xiàn)象;緊急制動測試時記錄數(shù)據(jù)顯示初始速度為59 km/h,平均減速度約6.5 m/s2,制動距離21 m,符合表2中的指標(biāo)要求。

3) 循環(huán)測試結(jié)果顯示,滑移率平均計算結(jié)果為24.8%,未偏離最佳滑移率區(qū)間,表明EBS充分發(fā)揮作用,客車車輪有良好的縱向、側(cè)向附著力;測試上坡能量消耗率為0.48%、制動能量回收效率為75%,主要目的是對比不同車型的耗電性能,以此選出經(jīng)濟性能更好的客車;循環(huán)試驗數(shù)據(jù)可用以研究發(fā)車配時等運輸規(guī)劃問題,在后續(xù)研究中將建立相關(guān)模型進一步分析。

3 結(jié) 論

1) 區(qū)分上行試驗與下行試驗可以根據(jù)實際運行情況細化測試指標(biāo),簡化測試流程,減少測試工作量,并充分模擬景區(qū)純電動客車運行線路的基本情況。

2) 測試方案本質(zhì)上是考慮到景區(qū)運輸規(guī)劃的運營性測試,故選擇現(xiàn)場試驗方案可更好地評估該車型對特定道路環(huán)境的適應(yīng)性和運營狀況,為遴選車型以及運輸規(guī)劃提供基本的數(shù)據(jù)支撐。

3) 本文的測試方法主要依據(jù)景區(qū)路況匹配滿足整體運營條件的車型,后續(xù)研究可根據(jù)客流量大小、道路擁堵狀況等指標(biāo)進一步研究車型大小、座椅布置等微觀參數(shù)配置。