閆晟煜， 肖 媛

(1.長安大學(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、超載的運行工況；連續(xù)坡道多且大，上坡坡道長度達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)著客運通道的240路、241路是整個西安地區(qū)公交車輛中運行環(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，運行可靠，但該批次車輛使用年限即將屆滿.為了驗證插電式混合動力公交客車和純電動公交客車是否能夠承擔(dān)繁重的客運任務(wù)，需要測試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白鹿原坡道的適應(yīng)性，進而擇優(yōu)選取.

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

1 測試線路情況

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試車，動力性能方面具備可比性，見表1.

表1 測試車輛性能參數(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原地起步加速測試坡道.

2 爬坡性能測試方案

2.1 評價指標(biāo)

爬坡性能評價指標(biāo)以第1～5測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)測試，第1～5測試坡道內(nèi)2輛測試車的最高穩(wěn)定車速難以達到40 km·h-1，所以，細分為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2輛測試車輛所能達到的最高穩(wěn)定車速，以及整個測試坡道內(nèi)的單程上下坡耗氣/耗電量分析.

2.2 測試儀器與配載模擬

Racelogic VBOX 3i可以測試車輛實時方位、車速、海拔，監(jiān)控加速踏板開閉時刻，配合陀螺儀的使用，可獲得對應(yīng)的實時車輛加速度和車輛運行軌跡.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100 Hz，測試參數(shù)量程均滿足公交客車測試參數(shù)的要求值[4].

通過在高峰時段內(nèi)調(diào)查240路各站上車人數(shù)、下車人數(shù)、到站時間、發(fā)站時間，經(jīng)計算車輛超載狀態(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%的狀況對測試車輛搭配負(fù)載，模擬240路車輛常規(guī)運行狀況.平均乘客重量按65 kg計算，滿載時,測試車輛配載為4.5 t沙袋和17名乘客，超載20%時，測試車輛配載為4.5 t沙袋和35名乘客，則混合動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，純電動公交客車總重為17.81 t、18.98 t；測試時空調(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、按測試線路行駛.記錄遇信號燈停車和因道路擁堵的停車時間.遇測試線路公交站牌即停即走，統(tǒng)計上坡起終點車輛運行時長.

第1～5測試坡道段內(nèi)，車輛原地起步加速至最高穩(wěn)定車速，連續(xù)進行5次；除第1～5測試坡道段的其他公交站間內(nèi)，測試車輛的車速要有1次達到30 km·h-1，從而保證最終燃耗的可比性.除第1～5測試坡道外的其余站間，應(yīng)根據(jù)實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測試坡道段內(nèi)的最高穩(wěn)定車速、加速度等數(shù)據(jù)，測算得到測試坡道內(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圈部分純電動公交客車的數(shù)據(jù)未采集完全.

表2 測試坡道的最高穩(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，滿載下混合動力城市客車最高穩(wěn)定車速介于27～38 km·h-1，純電動城市客車最高穩(wěn)定車速介于25～31 km·h-1；超載20%下，混合動力城市客車最高穩(wěn)定車速介于27～36 km·h-1，純電動城市客車最高穩(wěn)定車速介于25～29 km·h-1.混合動力公交客車在第1～5測試坡道內(nèi)的最高穩(wěn)定車速表現(xiàn)明顯優(yōu)于純電動公交客車.車輛在坡道上運行時，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)，滿載下的純電動公交客車的加速度相當(dāng)于混合動力公交客車的47.04%～77.78%；超載20%下的純電動公交客車的加速度相當(dāng)于混合動力公交客車的44.00%～86.02%.

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

混合動力公交客車搭載的驅(qū)動電機控制器，雖提供了較大輸出扭矩，從電機控制器溫度的統(tǒng)計來看，電機控制器溫度偏高，并不能簡單地通過加大電機控制器冷卻功率達到溫控平衡，電機控制器的可靠性有待論證.因其動力電池容量明顯小于純電動公交客車，高頻次的大充放電電流對電池儲能衰減的影響則需要通過長時間的運營數(shù)據(jù)監(jiān)控得以實現(xiàn).

該測試方法分別在滿載和超載20%的配載下，運用了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)測試車輛坡道起步性能，符合公交車輛的實際運行工況，又間接地反映了電機控制器在高負(fù)載下的運行穩(wěn)定性；設(shè)置專用的測試坡道1～5來測試2輛新能源公交客車所能達到的最高穩(wěn)定車速，也是反映車輛動力性能的有效指標(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

與爬坡性能測試同步進行了測試車輛的燃耗測試，結(jié)果見表3.

表3 燃耗情況測試結(jié)果

混合動力公交客車加氣完成后，CNG燃料需要沉淀，常會產(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)不能作為對比基數(shù)[7].

由表3可見，混合動力公交客車在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：240路測試路段混合動力公交客車的耗氣值預(yù)計在1.3±0.2MPa.混合動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：混合動力公交客車可以在該測試路段連續(xù)運行12.0～13.8次.

純電動公交客車在240路爬坡路段單次耗電11.3%～12.7%.值得注意的是，該純電動公交客車在下坡段制動狀態(tài)下回收電能效果顯著，下坡測試段僅耗電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%計算，通常車輛在剩余電量為20%時，駕駛員選擇回程充電.依次估算：純電動公交客車可以在該測試路段連續(xù)運行6.3～7.1次.

綜上，混合動力公交客車在240路測試路段(公交八公司—白鹿原公交樞紐站)是純電動公交客車?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，混合動力公交客車會更適應(yīng)240線路的運營狀況；因充氣(電)的頻率不同，導(dǎo)致對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)崗配額也會不同.

該測試方法適用于傳統(tǒng)清潔能源車輛和新能源車輛的爬坡性能測試，測試過程中運用VBOX 3i采集了速度、加速度、海拔、行駛里程等信息，同時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力性能和燃耗性能之間的折中點，綜合考慮運營效果，根據(jù)公交線路實際情況選配車輛.

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

3.3 下長坡問題

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

4 結(jié) 論

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

2)運用了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控制器在高負(fù)載下的運行穩(wěn)定性，運用車輛最高穩(wěn)定車速反映了車輛保持最大爬坡能力穩(wěn)定性.該測試方法符合公交車輛的實際運行工況，可操作性強，適用于山區(qū)城市道路的新能源車輛測試與選配.

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

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)公交線路對車輛選型的關(guān)鍵.若某公交線路客流量長期維持高態(tài)，車輛選型時不必加大發(fā)動機功率等硬性配置，可以通過改變座椅布置柔性調(diào)節(jié)車上人數(shù)，強迫車輛承載不達上限，增加線路配車數(shù)是合理的選擇，特別是有坡道的線路.