曹冬冬，王學(xué)平，劉桂彬，王長(zhǎng)園，周榮

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

重型CNG混合動(dòng)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(zhǎng)園2，周榮1，2

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

對(duì)我國(guó)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(duì)傳統(tǒng)CNG客車和CNG混合動(dòng)力客車按照GB/T 19754-2015規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析表明，CNG混合動(dòng)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(dòng)以及減速階段。

CNG混合動(dòng)力客車；能耗測(cè)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(guó)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(dòng)力汽車可以按照實(shí)際運(yùn)行工況要求靈活控制多種動(dòng)力源的分配，從而確保發(fā)動(dòng)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(guó)天然氣資源豐富，開(kāi)發(fā)利用潛力大、可操作性強(qiáng)且具有清潔環(huán)保、價(jià)格相對(duì)低的優(yōu)勢(shì)。因此，在我國(guó)開(kāi)發(fā)天然氣混合動(dòng)力城市客車具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值［1］。

1　重型車能耗國(guó)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(guó)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(cè)試方法》［3］，并根據(jù)不同的質(zhì)量段對(duì)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(zhǎng)，與一般客車燃料消耗量的差值不斷增加，當(dāng)車重超過(guò)25 t時(shí)，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(jiàn)城市客車的節(jié)油潛力較大，如果推行城市客車混合動(dòng)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(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)SAE于2002年9月頒布實(shí)施的SAEJ2711-2002《混合電動(dòng)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(dòng)力車輛和傳統(tǒng)車輛在底盤測(cè)功機(jī)上進(jìn)行能耗測(cè)試提供了精確、統(tǒng)一、可再現(xiàn)的試驗(yàn)程序，并從混合動(dòng)力車輛的充電模式、冷熱起動(dòng)狀態(tài)以及測(cè)試設(shè)備條件等多個(gè)方面分別作了詳細(xì)的規(guī)定。SAE J2711中推薦了三種測(cè)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(dòng)力汽車燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)時(shí)可根據(jù)汽車的實(shí)際行駛路況選擇合適的測(cè)試循環(huán)，以真實(shí)反映汽車的能耗。

我國(guó)現(xiàn)行的GB/T 19754-2015《重型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車能量消耗量試驗(yàn)方法》［5］，是在參考SAE J2711根據(jù)我國(guó)重型混合動(dòng)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(cè)試總質(zhì)量大于3 500 kg的混合動(dòng)力汽車的能耗，主要分為非外接充電型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和外接充電型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車兩種類型，其中后者又分為有純電動(dòng)行駛模式和無(wú)純電動(dòng)行駛模式兩種。這里的純電動(dòng)行駛是指車輛能夠在純電動(dòng)模式下完成一個(gè)該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的中國(guó)典型城市公交循環(huán)（CCBC）。對(duì)于混合動(dòng)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(duì)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(duì)于上一版本，GB/T 19754-2015改進(jìn)了凈能量改變量（NEC）的測(cè)量與計(jì)算部分，NEC對(duì)于混合動(dòng)力車型燃料消耗量的影響，是混合動(dòng)力車型節(jié)能效果大小的關(guān)鍵因素。對(duì)于不可外接充電式混合動(dòng)力汽車，為了真實(shí)比較混合動(dòng)力電動(dòng)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(shí)新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于充電方式不同的重型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車也規(guī)定了相應(yīng)的測(cè)試程序。

2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

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(dòng)力城市客車各一輛進(jìn)行試驗(yàn)，其中混合動(dòng)力車型為非外接充電型電動(dòng)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(dòng)力客車動(dòng)力系統(tǒng)為混聯(lián)系統(tǒng)［6-7］，主要由CNG發(fā)動(dòng)機(jī)、BSG電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及超級(jí)電容等組成。車輛在正常行駛過(guò)程中，當(dāng)離合器閉合時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)過(guò)變速器和主減速器，驅(qū)動(dòng)車輛行駛；當(dāng)車輛行駛需要額外動(dòng)力時(shí)，超級(jí)電容器放電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作為車輛提供動(dòng)力。在正常行駛過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)富裕功率為超級(jí)電容器充電。當(dāng)離合器斷開(kāi)時(shí)，超級(jí)電容器帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，驅(qū)動(dòng)車輛行駛。在車輛制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)能量通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接給超級(jí)電容器充電，進(jìn)行制動(dòng)能量回收，從而達(dá)到節(jié)能的目的。其動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2試驗(yàn)方法

對(duì)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(cè)試，以保證對(duì)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(cè)試，對(duì)于非外接充電型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，首先要調(diào)整儲(chǔ)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?zèng)Q定結(jié)束試驗(yàn)［5］。因此本文首先進(jìn)行3次試驗(yàn)，同時(shí)傳統(tǒng)CNG客車進(jìn)行3次對(duì)比試驗(yàn)，通過(guò)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(chǎng)地

本試驗(yàn)選取重型底盤測(cè)功機(jī)作為測(cè)試儀器進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)室硬件設(shè)施如圖3所示。測(cè)試系統(tǒng)一共有2個(gè)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(cè)功機(jī)測(cè)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(cè)試的油耗儀也安裝在試驗(yàn)間，電量計(jì)為便攜移動(dòng)式儀器，在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，電量計(jì)也放置在試驗(yàn)間；控制間安裝了底盤測(cè)功機(jī)主控計(jì)算機(jī)，是對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行集中監(jiān)控的場(chǎng)所。

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

本試驗(yàn)在CCBC工況下對(duì)兩輛樣車進(jìn)行測(cè)量，測(cè)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(dòng)力客車和傳統(tǒng)CNG客車的試驗(yàn)次序。

表2　試驗(yàn)樣車測(cè)試結(jié)果

3.1試驗(yàn)有效性判定

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)非外接充電型混合動(dòng)力汽車:在測(cè)試前后，當(dāng)試驗(yàn)車輛儲(chǔ)能裝置的凈能量變化值（NEC）與循環(huán)總驅(qū)動(dòng)能量的比值的絕對(duì)值小于或等于1%時(shí)，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(shí)，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(shí)的能耗結(jié)果的修正值；當(dāng)該比值大于5%時(shí)，則認(rèn)為試驗(yàn)結(jié)果無(wú)效［6］。依據(jù)GB/T 19754-2015中的相關(guān)公式，可分別得到混合動(dòng)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(jì)算CNG混合動(dòng)力客車凈能量變化值（NEC）與循環(huán)總驅(qū)動(dòng)能量的比值，對(duì)于t1、t2、t3分別為4.2%、1.9%、-3.6%?？梢钥吹?，3組數(shù)據(jù)的NEC變化量的絕對(duì)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(cè)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(shí)的燃料消耗量為34.102 24m3/100 km。

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

另外，測(cè)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(cè)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(duì)比分析

由前面的計(jì)算可以得到CNG混合動(dòng)力客車在NEC變化量為0時(shí)的百公里氣耗量為34.102 24m3，同時(shí)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(duì)比量，節(jié)氣率為18.31%。

可以看出，相對(duì)于傳統(tǒng)CNG城市客車，CNG混合動(dòng)力客車節(jié)能效果明顯。另外，CNG混合動(dòng)力車型節(jié)能的主要原因可以通過(guò)對(duì)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(dòng)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(guò)對(duì)比傳統(tǒng)CNG客車以及CNG混合動(dòng)力客車的速度與能耗的曲線關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，混合動(dòng)力客車的節(jié)能效果主要體現(xiàn)在車輛怠速、起動(dòng)以及制動(dòng)階段。怠速階段混合動(dòng)力客車發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，氣耗量為0；當(dāng)車輛起動(dòng)時(shí)，BSG電機(jī)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)快速達(dá)到起動(dòng)轉(zhuǎn)速，該過(guò)程也是由電機(jī)工作，發(fā)動(dòng)機(jī)不參加工作，因此氣耗量也為0；在減速階段，混合動(dòng)力客車發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)同時(shí)工作，電機(jī)提供部分制動(dòng)力，同時(shí)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)也開(kāi)始工作，回收部分制動(dòng)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(dòng)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(guò)對(duì)我國(guó)現(xiàn)行的重型車輛能耗測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，以及使用動(dòng)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(cè)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(dòng)力車燃料消耗量測(cè)試過(guò)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(dòng)力商用車能耗的測(cè)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(dòng)力系統(tǒng)會(huì)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(dòng)以及制動(dòng)階段。

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

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

［3］全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).重型商用車輛燃料消耗量測(cè)量方法:GB/T 27840-2011［S］.北京:中國(guó)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(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).重型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車能量消耗量試驗(yàn)方法:GB/T 19754-2015［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015:5.

［6］魏昌宏，郭俊.超級(jí)電容并聯(lián)式混合動(dòng)力客車的能量消耗試驗(yàn)與計(jì)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(dòng)力汽車控制策略開(kāi)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(guó)家科技支撐計(jì)劃:電動(dòng)汽車及基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和測(cè)試技術(shù)研究項(xiàng)目（2015BAG07B00）

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