倪丹

（北京公共交通控股(集團)有限公司，北京 100161）

引言

隨著國家對交通領域綠色發(fā)展、低碳環(huán)保的要求，新能源客車已經(jīng)逐漸成為城市公共交通領域的重要組成部分。北京公交集團積極響應國家號召，開發(fā)、應用新能源公交車，截至2023年，北京公交集團的純電動公交車已經(jīng)達到1 萬余輛，占北京公交車輛總數(shù)的43%。純電動公交車對低碳交通、實現(xiàn)雙碳目標有重要意義，但純電動公交車的續(xù)駛里程相對較短，且市區(qū)內充電站建設不足，制約其進一步推廣和使用。

能耗測算是純電動公交車續(xù)駛里程估算、充電規(guī)劃、零部件耗能優(yōu)化等的基礎，車輛能耗受道路狀況、交通情況、駕駛習慣、氣候環(huán)境等各方面使用因素影響[1]。因此，實現(xiàn)全面的運營能耗測算及分析，對純電動公交車的應用推廣具有重大意義。本文利用遠程傳輸?shù)能囕v數(shù)據(jù)，對純電動公交車運營能耗計算分析方法進行研究，計算車輛運營能耗及零部件能耗，分析能耗影響因素。

1 純電動車能耗計算分析方法

由于當前純電動公交車的續(xù)駛里程相對較短，需要頻繁充電，但北京市內新建充電站較為困難，限制了純電動公交車的進一步推廣應用。純電動公交車能耗是影響續(xù)駛里程的直接因素，對其進行準確測量，分析影響因素是基于現(xiàn)有技術提升續(xù)駛里程的基礎?，F(xiàn)有對純電動車能耗研究主要采用建模研究的方法[2-4]，測量則主要采用上車采集車輛信號的方法[5-6]，無法大規(guī)模對公交車的每趟運營進行監(jiān)測。隨著汽車行業(yè)智能化、電動化和網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展，純電動公交車實時運行的數(shù)據(jù)可以被采集和儲存，借助車載數(shù)據(jù)采集終端和車輛數(shù)據(jù)處理平臺，可以利用遠程傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分析純電動公交車實際能耗及能耗的影響因素，有針對性地進行車輛使用能耗優(yōu)化。

1.1 車輛數(shù)據(jù)遠程傳輸技術

本文的純電動車能耗計算使用實時遠程傳輸?shù)墓卉囕v數(shù)據(jù)。車輛內部數(shù)據(jù)傳輸通過CAN 總線（Controller Area Network，國際標準的汽車總線協(xié)議）實現(xiàn)，CAN 總線上的數(shù)據(jù)包括車輛各總成零部件的傳感和控制信號，利用車載數(shù)據(jù)轉發(fā)裝置及車載數(shù)據(jù)終端，通過4G 無線網(wǎng)絡，依據(jù)JT/T 808標準定義的通訊協(xié)議和數(shù)據(jù)格式，將車輛數(shù)據(jù)傳輸至北京公交后臺，傳輸路徑如圖1 所示，傳輸頻率為1fps（幀/秒）。

純電動車系統(tǒng)結構原理如圖2 所示[5]，其主要耗能總成為電機、DC/DC 低壓電器系統(tǒng)、油泵、氣泵、空調?；趫D1 的傳輸原理，車輛通訊系統(tǒng)CAN總線中交換的數(shù)據(jù)均可進行上傳，包括車輛電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）的數(shù)據(jù)，電機、DC/DC（低壓電器）、空調等電流、電壓數(shù)據(jù)，以及包括司機駕駛操作行為的車輛控制數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以用來監(jiān)測車輛運行情況，進行安全提示和報警，以及計算車輛能耗及統(tǒng)計分析駕駛行為。

1.2 純電動車能耗計算方法

利用遠程傳輸?shù)能囕v總成零部件電流電壓數(shù)據(jù)，可以計算純電動車的能耗。純電動車的能量均來自車載動力電池，車輛總能耗可以使用車輛電池管理系統(tǒng)（BMS）的總電壓、總電流進行計算，采用時間積分法，計算一段時間內的能耗值，其計算公式如下[6]。

圖1 北京公交車輛數(shù)據(jù)遠程傳輸路徑

其中，Q是一段時間內的能耗，I是BMS 總電流，U是BMS總電壓，t1是開始計算時間，t2 是結束計算時間。按照同樣的計算方法，取BMS電流的負值，代入式（1）內，可以計算純電動車制動回饋能量。

圖2 純電動車系統(tǒng)結構原理圖

將電機、空調、轉向助力油泵、氣泵、低壓電器等總成的電壓和電流帶入式（1），可以計算相應總成零部件的能耗。

2 車輛能耗影響因素分析

選 取2023年1 月1 日 至10 月31 日 的120 路公交車運行數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)車輛行駛路單的運營發(fā)車時間及到達時間，計算該時間段內的車輛總能耗、制動回饋能耗、電機、空調、直流總成零部件的能耗及司機駕駛行為，分析能耗的影響因素。120 路公交線路如圖3 所示，公交車型號為BJ6123EVCA-47，車身長12m，額定載客量81 人，始發(fā)站為左家莊，終點站為石榴園東，總運營長度上行20.2km，下行19km。

圖3 120 路公交線路圖

2.1 車輛能耗分配關系

采用式（1）對120 路運行能耗數(shù)據(jù)進行計算，依據(jù)式（1）計算結果（表1），對120 路單趟總能耗及總成零部件的能耗進行分析，從表1 中可以看出，驅動電機的能耗最高，其次是空調的能耗。

根據(jù)120 路純電動車的能耗占比，空調能耗占總能耗的14.1%，說明空調能耗對于整車能耗的影響是非常大的，通過具體分析車輛溫度和空調開啟操作，可以研究如何降低空調能耗。低壓電器占總能耗的8%，而早期純電動車低壓電器僅占0.75%[6]，說明車輛電子設施不斷完善，低壓配件的耗電量增加較多。隨著信息化技術的發(fā)展，公交車上裝配了較多用來傳輸車輛數(shù)據(jù)的低壓器件，如視頻、GPS、車輛數(shù)據(jù)、刷卡機、電視等，后期開發(fā)客車時可以將低壓電器的耗電量作為優(yōu)化項。

2.2 車輛能耗影響因素分析

純電動公交車實際運營中的能耗與道路交通環(huán)境、司機的操作以及車輛各總成零部件的能耗相關，影響因素較多。對實際運營中的總能耗及零部件能耗進行測算分析，對分析高能耗特征、制定針對性的優(yōu)化方案具有重要意義。

2.2.1 運行季節(jié)

對單趟能耗及電機、空調等高能耗零部件的能耗按照月份計算平均值，如圖4 所示，可以看出純電動公交車的能耗與季節(jié)有強相關性，在溫度較低（1-2月）及較高（6-8 月）的月份，單趟能耗及空調能耗較高，在溫度適宜的季節(jié)（4-5月及9-10月），單趟能耗及空調能耗較低。電機能耗隨季節(jié)的變化不明顯，在溫度較低的月份稍高。

2.2.2 運行路況

北京市公共交通總體表現(xiàn)為平均車速低，怠速比例高，等速行駛比例小，北京公交車輛有加減速頻繁、等速和準等速行駛時間短的特點，且不同路段、不同時間段的道路擁堵程度與客流量有較大的區(qū)別[7]。據(jù)此對包括周末及工作日、上下行的120 路公交車進行不同行駛路況的能耗分析。

表1 120 路單趟運營及總成零部件平均能耗及占比

圖4 120 路單趟能耗、空調能耗及電機能耗

表2 120 路車輛工作日及周末運營平均能耗分析

表3 120 路車輛上下行運營能耗分析

120 路平均單趟能耗20.82kWh，平均車速16.98km/h。對120 路車輛工作日和周末的運行能耗數(shù)據(jù)進行進一步分析，分析結果為工作日平均單趟能耗21.00kWh，平均車速16.78km/h，周末平均單趟能耗20.40kWh，平均車速17.50km/h（表2）。工作日的車速低于周末的車速，說明周末的擁堵程度較低。周末的行駛能耗低于工作日的行駛能耗。通過對耗能裝置能耗的分析，耗能裝置的能耗周末相對較低，與周末車速快、單趟時間短有關。

對120 路車輛的上下行運營平均能耗及耗能裝置能耗數(shù)據(jù)分析見表3，從表3 可看出，上行的平均車速高于下行的平均車速，能耗高于下行的能耗，上行與下行的空調、油泵、氣泵及低壓電器能耗接近，其能耗差別主要在于用于驅動的電機能耗。該線路上行20.2km，下行19km，計算后上行百公里能耗103kWh，下行百公里109kWh，說明即使是同一條線路，上下行的路況不同，導致能耗也相差較大，下行的平均車速較低，百公里能耗相對較高。

2.2.3 運營時間段

按照北京公交客流出行的特點，對120 路上行不同時間段的運營能耗進行分析（表4），從表4中可以看出，不同時間段的能耗相差較大。

表4 120 路上行不同時間段的平均能耗分析

按照總能耗分析，21∶00 以后的能耗最低，主要是空調及驅動電機能耗低，6∶00-8∶00 時間段及19∶00-21∶00 時間段能耗較低，但低的原因不一樣，早上空調能耗較低，電機能耗較高，而晚上主要是電機能耗較低。總能耗最高的時間段是14∶00-16∶00 及16∶00-19∶00，最主要是空調能耗高，同時車速較低，說明這段時間單趟時間較長，空調開啟時間長，低壓電器及氣泵能耗也相對較高?？照{能耗最高時間段其能耗占總能耗的15%，優(yōu)化空調制造和使用是提高純電動車續(xù)駛能力的重要方式。

3 結語

由于續(xù)駛里程和充電站的限制，純電動車的推廣受到一定的限制。純電動車的能耗測算及分析是研究能耗影響因素、降低高能耗的重要基礎。本文利用北京公交集團的遠程傳輸數(shù)據(jù)，研究了車輛能耗的測算方法和運營總能耗、零部件能耗的計算統(tǒng)計方法，并從季節(jié)、路況、時間段等維度對能耗的影響因素進行了分析。

分析車輛零部件的能耗分配，結果顯示空調對車輛能耗的影響較大，而且現(xiàn)在公交車內的低壓電器耗電量也較高。純電動公交車的能耗與季節(jié)有強相關性，在溫度較低及較高的月份單趟能耗及空調能耗較高，溫度適宜的季節(jié)單趟能耗及空調能耗較低。同樣的路線，行駛路況及能耗也不同。不同時間段的能耗也有較大差距，高能耗零部件主要是空調和驅動電機，說明優(yōu)化空調制造和使用是提高純電動車續(xù)駛能力的重要方式。

該方法可以對運營能耗進行全面測算，有利于公交集團掌握純電動公交車的能耗情況，分析高能耗影響因素，指導新車零部件制造方向，對推廣應用純電動公交車、實現(xiàn)低碳交通具有重要意義。