張亞 楊萬(wàn)江 肖偉

（中國(guó)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(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(dòng)和插電式CNG混合動(dòng)力所取代。混合動(dòng)力汽車可以按照實(shí)際運(yùn)行工況靈活控制多種動(dòng)力源的分配，確保發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳工況，能夠有效降低燃料消耗量；制動(dòng)時(shí)能量回收系統(tǒng)可以將車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能存儲(chǔ)，進(jìn)一步降低了車輛的綜合能耗；我國(guó)天然氣資源豐富，具有清潔環(huán)保、價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)。因此，插電式CNG混合動(dòng)力城市客車占據(jù)著重要的地位。

1 重型車能耗標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

我國(guó)現(xiàn)行強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB30510—2018《重型商用車輛燃料消耗量限值》[1]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《重型商用車燃料消耗測(cè)試方法》[2]規(guī)定的C-WTVC測(cè)試循環(huán)，并根據(jù)最大總質(zhì)量(GVW)對(duì)不同類別車型的燃料消耗量限值分別進(jìn)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(dāng)GVW超過(guò)25 t時(shí)，城市客車的燃料消耗限值高達(dá)41.5 L/100 km，而同質(zhì)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(dòng)力電動(dòng)汽車能量消耗量試驗(yàn)方法》[3]適用于總質(zhì)量大于3 500 kg的混合動(dòng)力汽車，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，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。對(duì)于混合動(dòng)力城市客車，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可在65%載荷狀態(tài)下采用中國(guó)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(jìn)行試驗(yàn)[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(dòng)力城市客車C-WTVC循環(huán)工況下的能耗。

2 CNG混合動(dòng)力城市客車C-WTVC工況能耗測(cè)試設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)樣車

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

表1 試驗(yàn)樣車主要技術(shù)參數(shù)

3輛CNG混合動(dòng)力城市客車的動(dòng)力系統(tǒng)均為混聯(lián)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意如圖2所示，主要由CNG發(fā)動(dòng)機(jī)、ISG電機(jī)、TM驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力蓄電池、控制系統(tǒng)等組成。當(dāng)離合器閉合時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)AMT變速器帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)車輛行駛；當(dāng)車輛行駛需要額外動(dòng)力時(shí)，動(dòng)力蓄電池放電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作為車輛提供額外動(dòng)力；正常行駛中發(fā)動(dòng)機(jī)富余功率通過(guò)ISG電機(jī)為動(dòng)力蓄電池充電。當(dāng)離合器斷開時(shí)，動(dòng)力蓄電池帶動(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)直接給動(dòng)力蓄電池充電，進(jìn)行制動(dòng)能量回收，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

圖2 CNG混合動(dòng)力城市客車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 室外道路滑行試驗(yàn)

樣車均處于滿載狀態(tài)，屏蔽制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，按GB/T 27840—2011的附錄C，在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)場(chǎng)的平直路段(縱向坡度＜0.1%)進(jìn)行滑行。試驗(yàn)用VBOX記錄數(shù)據(jù)。

2.2.2 室內(nèi)底盤測(cè)功機(jī)試驗(yàn)

按道路滑行試驗(yàn)測(cè)定計(jì)算的行駛阻力在重型底盤測(cè)功機(jī)上再現(xiàn)(期間需關(guān)閉制動(dòng)能量回收系統(tǒng))，并設(shè)定負(fù)荷。

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

2.2.3 試驗(yàn)環(huán)境條件

為盡可能減小溫度對(duì)試驗(yàn)結(jié)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(cè)功機(jī)試驗(yàn)環(huán)境溫度控制在20～30℃。

2.2.4 試驗(yàn)車速公差及停止條件

車輛加速、等速和制動(dòng)減速時(shí)，實(shí)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(yàn)以車速達(dá)不到36 km/h或發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)切換至混合動(dòng)力模式停止。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 滑行試驗(yàn)結(jié)果及分析

3輛樣車滿載滑行結(jié)果及擬合曲線如圖3所示?？梢钥闯?號(hào)樣車滑行阻力最小，3號(hào)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(cè)試結(jié)果及分析

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)包含純電工作模式的可外接充電型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的純電等速續(xù)駛里程階段、儲(chǔ)能裝置能量調(diào)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(duì)3輛樣車進(jìn)行了等速續(xù)駛里程行駛試驗(yàn)(第1階段)，測(cè)試結(jié)果如表2所示。由測(cè)試結(jié)果可以看出：1號(hào)樣車滑行阻力最小，電能消耗量最低；3號(hào)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(yàn)結(jié)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(duì)變化量絕對(duì)值(以下簡(jiǎn)稱“NEC比值”)＞5%的循環(huán)為儲(chǔ)能裝置能量調(diào)整階段；連續(xù)3次試驗(yàn)NEC比值≤5%，則該部分為電量平衡階段。如果NEC比值≤1%，試驗(yàn)結(jié)果無(wú)需修正；1%＜NEC比值≤5%時(shí)，按標(biāo)準(zhǔn)推薦的線性插值法進(jìn)行修正，以獲得NEC變化量為0時(shí)的燃料消耗量。

3輛樣車各循環(huán)測(cè)試結(jié)果以及按標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的NEC比值見(jiàn)表3～表5，各樣車循環(huán)工況氣耗流量見(jiàn)圖4～圖6。

圖4 1號(hào)樣車各循環(huán)車速及氣耗流量

圖6 3號(hào)樣車各循環(huán)車速及氣耗流量

表3 1號(hào)樣車循環(huán)測(cè)試結(jié)果

表4 2號(hào)樣車循環(huán)測(cè)試結(jié)果

表5 3號(hào)樣車循環(huán)測(cè)試結(jié)果

圖5 2號(hào)樣車各循環(huán)車速及氣耗流量

由測(cè)試結(jié)果可以看出：1)1號(hào)樣車經(jīng)過(guò)第1次循環(huán)調(diào)整后，在第2、3、4次循環(huán)NEC比值均≤5%，達(dá)到規(guī)定的電量平衡條件；2號(hào)樣車6次循環(huán)NEC比值呈無(wú)規(guī)律變化；3號(hào)樣車6次循環(huán)NEC比值均＞5%，REESS持續(xù)充電；2)3號(hào)樣車滑行阻力最大，計(jì)算的試驗(yàn)循環(huán)總驅(qū)動(dòng)能量卻較小，分析是減速工況能量回收系統(tǒng)作用的結(jié)果。

根據(jù)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)，2輛樣車沒(méi)達(dá)到電量平衡，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定條件沒(méi)辦法歸一化其綜合能耗。但為了各樣車間的橫向比對(duì)，參考標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各循環(huán)的NEC變化量與NG燃料消耗量擬合，結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯觯€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(shì)：1)2號(hào)樣車綜合能耗偏高。通過(guò)循環(huán)氣耗流量曲線發(fā)現(xiàn)，該車在車速40 km/h以下時(shí)，其發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期處于怠速狀態(tài)，該現(xiàn)象在純電續(xù)駛里程試驗(yàn)中同樣存在(發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期怠速，但未參與驅(qū)動(dòng)，也未對(duì)REESS進(jìn)行充電，用于補(bǔ)充整車氣壓)；2)3號(hào)樣車雖然持續(xù)充電，但綜合能耗較低。通過(guò)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(dòng)機(jī)多處于不工作狀態(tài)；在高速加速階段發(fā)動(dòng)機(jī)多處于最佳工作狀態(tài)；在減速階段，發(fā)動(dòng)機(jī)迅速關(guān)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(dòng)機(jī)在后續(xù)循環(huán)的介入強(qiáng)度有自動(dòng)越弱的趨勢(shì)。

圖7 參考擬合曲線

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)3款主流CNG混合動(dòng)力城市客車進(jìn)行測(cè)試和結(jié)果分析，可以得出以下結(jié)論：1)帶能量回收系統(tǒng)的混合動(dòng)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(cè)試中持續(xù)充電的混合動(dòng)力車輛，其綜合能耗不一定高；僅通過(guò)6次循環(huán)就按標(biāo)準(zhǔn)得出整車控制策略不合理的結(jié)論不一定正確，整車控制策略的合理與否應(yīng)以其綜合能耗為唯一判定依據(jù)；3)部分混合動(dòng)力車輛在純電工作模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)在部分時(shí)段啟動(dòng)為整車補(bǔ)充氣壓(不參與驅(qū)動(dòng)，也不為REESS充電)，GB/T 19754—2015中關(guān)于純電工作模式結(jié)束的標(biāo)志需要進(jìn)一步細(xì)化，該部分消耗的燃料實(shí)際存在，也應(yīng)明確如何處理；4)滿載狀態(tài)下混合動(dòng)力城市客車按C-WTVC工況進(jìn)行試驗(yàn)，3個(gè)車型中有2個(gè)未達(dá)到GB/T 19754—2015所述的電量平衡條件，達(dá)到電量平衡的車型NEC比值也不能嚴(yán)格滿足SOC修正程序的要求，工況適用性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。