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新能源公交客车爬坡与燃耗性能测试

2019-08-27 00:24:14·  来源：汽车技术研究所  
　
现有的国家标准旨在测试车辆满载时的最大爬坡度，而公交车辆常处于超载运行状态；要求了8～10 m的加速距离，而处于运营状态的公交车辆常在坡道上起步加速；当对2
现有的国家标准旨在测试车辆满载时的最大爬坡度，而公交车辆常处于超载运行状态；要求了8～10 m的加速距离，而处于运营状态的公交车辆常在坡道上起步加速；当对2种爬坡能力相近的公交车辆作比较时，难以寻找到合适的坡度来完成最大爬坡度的测试.目前鲜有研究新能源车辆爬坡性能的文献，则需要针对具体坡道制定车辆爬坡性能试验方案.
 
1 测试线路情况

1.1 车辆性能参数

选取2辆不同类型、性能基本相同的新能源测试车，动力性能方面具备可比性，见表1.

表1 测试车辆性能参数

1.2 公交线路
  
240路、241路上原线路基本重合.以240路为例，上行线路为火车站至白鹿原公交枢纽站，仅上原路段海拔最大高差为299 m，上坡段平均道路纵坡度为4.35%，特别是在西铁看守所至思源学院段内，229 m内海拔上升20 m，即平均纵坡度为8.76%.经过西安航空旅游学院后的道路纵坡变化不明显，见图1.
 
图1 240路公交线路道路平均纵坡度

由图1可见，将道路纵坡明显的5段爬坡加速路段设置为第1～5原地起步加速测试坡道.
 
2 爬坡性能测试方案

2.1 评价指标

爬坡性能评价指标以第1～5测试坡道坡底原地起步加速的平均加速度(m·s-2)为准，经预测试，第1～5测试坡道内2辆测试车的最高稳定车速难以达到40 km·h-1，所以，细分为0～10 km·h-1、10～20 km·h-1和0～25 km·h-1的平均加速度；辅以攀爬同样坡道时2辆测试车辆所能达到的最高稳定车速，以及整个测试坡道内的单程上下坡耗气/耗电量分析.

2.2 测试仪器与配载模拟

Racelogic VBOX 3i可以测试车辆实时方位、车速、海拔，监控加速踏板开闭时刻，配合陀螺仪的使用，可获得对应的实时车辆加速度和车辆运行轨迹.方位精度为±0.05 m、速度为±0.01 km·h-1、加速度为±0.01 m·s-2，采样频率可达100 Hz，测试参数量程均满足公交客车测试参数的要求值.

通过在高峰时段内调查240路各站上车人数、下车人数、到站时间、发站时间，经计算车辆超载状态下，车辆在爬坡路段内的最大车上人数为105人即超载20%.分别按照满载和超载20%的状况对测试车辆搭配负载，模拟240路车辆常规运行状况.平均乘客重量按65 kg计算，满载时,测试车辆配载为4.5 t沙袋和17名乘客，超载20%时，测试车辆配载为4.5 t沙袋和35名乘客，则混合动力公交客车在满载和超载20%条件下的总重分别为18.41 t、19.58 t，纯电动公交客车总重为17.81 t、18.98 t；测试时空调开启同样温度，驾驶员均为240路驾驶员.
 
2.3 爬坡过程控制

随车配备1名引导员，提示驾驶人按规定操作、按测试线路行驶.记录遇信号灯停车和因道路拥堵的停车时间.遇测试线路公交站牌即停即走，统计上坡起终点车辆运行时长.

第1～5测试坡道段内，车辆原地起步加速至最高稳定车速，连续进行5次；除第1～5测试坡道段的其他公交站间内，测试车辆的车速要有1次达到30 km·h-1，从而保证最终燃耗的可比性.除第1～5测试坡道外的其余站间，应根据实际情况尽量满足畅通工况的行驶车速要求，见图2.

图2 其它站间车辆运行规律
 
3 爬坡性能分析比较

3.1 最高稳定车速与平均加速度

采集240路第1～5测试坡道段内的最高稳定车速、加速度等数据，测算得到测试坡道内的最高稳定车速和0～25 km·h-1的平均加速度结果，见表2.受雨天和树枝遮挡，第3圈部分纯电动公交客车的数据未采集完全.

表2 测试坡道的最高稳定车速与0～25 km·h-1的平均加速度(km·h-1/ m·s-2)

由表2可见，满载下混合动力城市客车最高稳定车速介于27～38 km·h-1，纯电动城市客车最高稳定车速介于25～31 km·h-1；超载20%下，混合动力城市客车最高稳定车速介于27～36 km·h-1，纯电动城市客车最高稳定车速介于25～29 km·h-1.混合动力公交客车在第1～5测试坡道内的最高稳定车速表现明显优于纯电动公交客车.车辆在坡道上运行时，最高稳定车速与最大输出扭矩关系密切.

0～25 km·h-1车速范围内，满载下的纯电动公交客车的加速度相当于混合动力公交客车的47.04%～77.78%；超载20%下的纯电动公交客车的加速度相当于混合动力公交客车的44.00%～86.02%.

0～10 km·h-1车速范围内，纯电动公交客车加速性能优异，与电机驱动动力输出和响应时间等特性有关，满载下其坡道1、坡道5的平均加速度超过混合动力公交客车，当其超载达到20%后，纯电动公交客车的0～10 km·h-1内的速度提升明显放缓.
 
混合动力公交客车搭载的驱动电机控制器，虽提供了较大输出扭矩，从电机控制器温度的统计来看，电机控制器温度偏高，并不能简单地通过加大电机控制器冷却功率达到温控平衡，电机控制器的可靠性有待论证.因其动力电池容量明显小于纯电动公交客车，高频次的大充放电电流对电池储能衰减的影响则需要通过长时间的运营数据监控得以实现.

该测试方法分别在满载和超载20%的配载下，运用了0～10 km·h-1、10～20 km·h-1、0～25 km·h-1的分段平均加速度比较车辆爬坡性能，并连续测试车辆坡道起步性能，符合公交车辆的实际运行工况，又间接地反映了电机控制器在高负载下的运行稳定性；设置专用的测试坡道1～5来测试2辆新能源公交客车所能达到的最高稳定车速，也是反映车辆动力性能的有效指标之一，兼顾体现了车辆在上述配载条件下的保持最大爬坡能力稳定性.
 
3.2 燃料消耗量

与爬坡性能测试同步进行了测试车辆的燃耗测试，结果见表3.

表3 燃耗情况测试结果

混合动力公交客车加气完成后，CNG燃料需要沉淀，常会产生“气虚”现象，该现象只在刚加满气后第1次行驶中出现，此时气瓶出口端压力表的显示值未必准确，故加满CNG后，第1次燃耗数据不能作为对比基数.
 
由表3可见，混合动力公交客车在240路爬坡路段往返1次耗气1.1～1.5 MPa.以第2次、第3次超载情况估计：240路测试路段混合动力公交客车的耗气值预计在1.3±0.2MPa.混合动力公交客车冬季充满气的上限值约为20.0 MPa，通常车辆在2.0 MPa左右，驾驶员选择回程加气.依此估算：混合动力公交客车可以在该测试路段连续运行12.0～13.8次.
 
纯电动公交客车在240路爬坡路段单次耗电11.3%～12.7%.值得注意的是，该纯电动公交客车在下坡段制动状态下回收电能效果显著，下坡测试段仅耗电2.1%～2.3%；而在上坡段消耗电能过大，为9.2%～10.4%.按充电上限值100%计算，通常车辆在剩余电量为20%时，驾驶员选择回程充电.依次估算：纯电动公交客车可以在该测试路段连续运行6.3～7.1次.
 
综上，混合动力公交客车在240路测试路段(公交八公司—白鹿原公交枢纽站)是纯电动公交客车续航里程的2倍左右，充加燃料的频率较低一些.而且，240路不仅包含了爬坡路段，还包含了火车站到公交八公司的12.3 km非爬坡路段，相比之下，混合动力公交客车会更适应240线路的运营状况；因充气(电)的频率不同，导致对240路、241路配车数不同，车辆调度频次要求不同，基础设施和工人设岗配额也会不同.
 
该测试方法适用于传统清洁能源车辆和新能源车辆的爬坡性能测试，测试过程中运用VBOX 3i采集了速度、加速度、海拔、行驶里程等信息，同时采集和记录上坡段起止气压(或SOC)燃耗信息，可以用于分析公交车辆在动力性能和燃耗性能之间的折中点，综合考虑运营效果，根据公交线路实际情况选配车辆.
 
由于测试车辆为新能源车辆，均无配备手动挡变速器，驾驶员仅需操作加速踏板，在0～25 km·h-1的平均加速度测试结果受驾驶员操作影响小；采用了VBOX 3i测试，测试精度高，规避了受人工记录加速时间影响到数据采集精度的问题，具有适用范围宽、可操作性强的特点，测试时对道路交通拥堵状况要求较高，建议避开车流高峰期.该方法对测试山区城市道路公交客车的爬坡性能测试有指导意义.
 
3.3 下长坡问题
  
车辆重载、环境温度高、频繁行车制动等恶劣工况叠加，测试过程中，新能源公交客车的前制动器两侧制动摩擦片温度会有超过200 ℃的情况.假设长下坡坡道更长，行车制动更加频繁时，为适配特殊公交线路，新能源车辆应配备有辅助制动装置，使公交企业承担较小的运营安全风险.
 
4 结 论
 
1)混合动力公交客车在第1～5测试坡道内的最高稳定车速表现明显优于纯电动公交客车.0～10 km·h-1车速范围内，纯电动公交客车加速性能优异，但在0～25 km·h-1车速范围内，测试的纯电动公交客车平均加速度相低于混合动力公交客车.
 
2)运用了0～10 km·h-1、10～20 km·h-1、0～25 km·h-1的分段平均加速度比较车辆爬坡性能，又间接地反映了电机控制器在高负载下的运行稳定性，运用车辆最高稳定车速反映了车辆保持最大爬坡能力稳定性.该测试方法符合公交车辆的实际运行工况，可操作性强，适用于山区城市道路的新能源车辆测试与选配.
 
3)新能源公交客车的制动能量回收系统仅能提供有限的制动效能，当针对公交线路中有长下坡路段选配车型时，应配备变速器和车辆辅助制动系统(如电涡流缓速器等)，降低运营安全隐患，也节省制动器摩擦片的消耗.
 
4)车厢内座椅布置是影响站立密度的重要因素，也是根据公交线路对车辆选型的关键.若某公交线路客流量长期维持高态，车辆选型时不必加大发动机功率等硬性配置，可以通过改变座椅布置柔性调节车上人数，强迫车辆承载不达上限，增加线路配车数是合理的选择，特别是有坡道的线路. 
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