重型CNG混合动力城市客车能耗试验分析

曹冬冬，王学平，刘桂彬，王长园，周荣

（1.河北工业大学，天津300401；2.中国汽车技术研究中心，天津300300）

重型CNG混合动力城市客车能耗试验分析

曹冬冬1，2，王学平2，刘桂彬2，王长园2，周荣1，2

（1.河北工业大学，天津300401；2.中国汽车技术研究中心，天津300300）

对我国现行的重型车能耗限值和能耗试验方法相关标准进行介绍，对传统CNG客车和CNG混合动力客车按照GB/T 19754-2015规定的方法进行测试，试验数据对比分析表明，CNG混合动力客车在能耗方面优于传统CNG客车，其节能效果主要体现在怠速、起动以及减速阶段。

CNG混合动力客车；能耗测试；节能效果

城市客车是目前主要的公共交通工具之一，在我国现代城市交通运输中占据着十分重要的地位。由于城市道路特殊的运行工况导致车辆燃料消耗量大，混合动力汽车可以按照实际运行工况要求灵活控制多种动力源的分配，从而确保发动机工作在综合性能最佳的区域内，能够有效降低燃料消耗。另外，我国天然气资源丰富，开发利用潜力大、可操作性强且具有清洁环保、价格相对低的优势。因此，在我国开发天然气混合动力城市客车具有重要的现实意义和实用价值［1］。

1　重型车能耗国内外标准现状

2014年7月1日正式执行的GB 30510-2014是国家关于重型商用车燃料消耗量限值的强制性标准［2］，适用于总质量大于3 500 kg的燃用汽油和柴油的商用车辆。该标准基于GB/T 27840-2011《重型商用车综合工况燃料消耗测试方法》［3］，并根据不同的质量段对燃料消耗量限值进行了规定。从规定中可以发现，城市客车随车重的增加，燃料消耗量迅速增长，与一般客车燃料消耗量的差值不断增加，当车重超过25 t时，城市客车的燃料消耗限值高达49 L/100 km，而同质量段的一般客车仅为29.5 L/100 km，增加了66.1%。图1显示了这一变化规律，可见城市客车的节油潜力较大，如果推行城市客车混合动力化，将能够比较明显地降低城市公共交通中的燃料消耗量。

图1　一般客车和城市客车燃料消耗量限值比较

美国汽车工程师协会SAE于2002年9月颁布实施的SAEJ2711-2002《混合电动车和重型车燃料经济性和排放的推荐规程》［4］，为重型混合动力车辆和传统车辆在底盘测功机上进行能耗测试提供了精确、统一、可再现的试验程序，并从混合动力车辆的充电模式、冷热起动状态以及测试设备条件等多个方面分别作了详细的规定。SAE J2711中推荐了三种测试循环，分别代表高速、中速以及低速市区循环，在进行重型混合动力汽车燃油经济性评价时可根据汽车的实际行驶路况选择合适的测试循环，以真实反映汽车的能耗。

我国现行的GB/T 19754-2015《重型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法》［5］，是在参考SAE J2711根据我国重型混合动力汽车的基本能耗情况，在GB/T 19754-2005版本上修订而成的。本标准用于测试总质量大于3 500 kg的混合动力汽车的能耗，主要分为非外接充电型混合动力电动汽车和外接充电型混合动力电动汽车两种类型，其中后者又分为有纯电动行驶模式和无纯电动行驶模式两种。这里的纯电动行驶是指车辆能够在纯电动模式下完成一个该标准中规定的中国典型城市公交循环（CCBC）。对于混合动力城市客车，标准规定在65%载荷状态下采用该标准中规定的CCBC循环；对于其他商用车辆，推荐在满载状态下采用GB/T 27840-2011规定的C-WTVC循环进行试验。

相对于上一版本，GB/T 19754-2015改进了净能量改变量（NEC）的测量与计算部分，NEC对于混合动力车型燃料消耗量的影响，是混合动力车型节能效果大小的关键因素。对于不可外接充电式混合动力汽车，为了真实比较混合动力电动汽车（HEV）和传统汽车的燃料消耗量结果，HEV的数据必须进行修正以保证NEC的影响降低到可忽略的范围内。同时新标准对于充电方式不同的重型混合动力电动汽车也规定了相应的测试程序。

2　试验设计

2.1试验样车

本次试验选取了传统CNG城市客车和混合动力城市客车各一辆进行试验，其中混合动力车型为非外接充电型电动汽车。试验车辆的主要技术参数如表1所示。

CNG混合动力客车动力系统为混联系统［6-7］，主要由CNG发动机、BSG电机、驱动电机及超级电容等组成。车辆在正常行驶过程中，当离合器闭合时，发动机带动驱动电机经过变速器和主减速器，驱动车辆行驶；当车辆行驶需要额外动力时，超级电容器放电，驱动电机工作为车辆提供动力。在正常行驶过程中，发动机富裕功率为超级电容器充电。当离合器断开时，超级电容器带动驱动电机工作，驱动车辆行驶。在车辆制动过程中，制动能量通过驱动电机直接给超级电容器充电，进行制动能量回收，从而达到节能的目的。其动力系统结构如图2所示。

2.2试验方法

对于试验方法的要求，按照变量唯一原则，两辆试验车均按照同一试验方法（GB/T 19754-2015）进行测试，以保证对比试验的合理性。

按照GB/T 19754-2015的规定，试验车辆在65%载荷下采用2次CCBC进行测试，对于非外接充电型混合动力电动汽车，首先要调整储能装置的能量，达到正常使用的荷电状态，然后至少进行3次试验，判断试验结果是否有效、试验次数是否充分，再决定结束试验［5］。因此本文首先进行3次试验，同时传统CNG客车进行3次对比试验，通过结果分析确定是否要增加试验次数。

2.3试验设备与场地

本试验选取重型底盘测功机作为测试仪器进行试验，试验室硬件设施如图3所示。测试系统一共有2个功能分区构成。试验间为车辆进行试验操作的区域。底盘测功机测试设备，即转鼓、风机等安装在试验间，另外进行气耗测试的油耗仪也安装在试验间，电量计为便携移动式仪器，在进行测试时，电量计也放置在试验间；控制间安装了底盘测功机主控计算机，是对整个实验过程进行集中监控的场所。

3　试验结果及分析

本试验在CCBC工况下对两辆样车进行测量，测试结果如表2所示，其中，t1、t2、t3和T1、T2、T3分别代表CNG混合动力客车和传统CNG客车的试验次序。

表2　试验样车测试结果

3.1试验有效性判定

根据标准要求，对非外接充电型混合动力汽车:在测试前后，当试验车辆储能装置的净能量变化值（NEC）与循环总驱动能量的比值的绝对值小于或等于1%时，试验所得的能耗结果不用修正；当该比值大于1%，但小于等于5%时，试验所得的能耗结果则需要修正，标准推荐采用线性插值法进行修正，以尽可能获得NEC等于0时的能耗结果的修正值；当该比值大于5%时，则认为试验结果无效［6］。依据GB/T 19754-2015中的相关公式，可分别得到混合动力城市客车和传统CNG客车的相关能量值，如表3所示。

按照标准规定，计算CNG混合动力客车净能量变化值（NEC）与循环总驱动能量的比值，对于t1、t2、t3分别为4.2%、1.9%、-3.6%。可以看到，3组数据的NEC变化量的绝对值都在1%～5%范围内，不需要增加试验次数。但根据标准规定试验所得结果需要修正，且有一组NEC的测试结果为负值，其余两组为正值，故可以采用线性内插值法得到NEC变化量为0时的燃料消耗量为34.102 24m3/100 km。

表3　混合动力客车和传统CNG客车试验相关能量值

另外，测得的燃料消耗量和电能量消耗量3组数据的线性相关系数R2为0.820 3，依据GB/T 19754-2015的规定，满足R2≥0.8的要求，认为测量结果和实际数据的线性回归可以接受。

3.2两种车型能耗水平对比分析

由前面的计算可以得到CNG混合动力客车在NEC变化量为0时的百公里气耗量为34.102 24m3，同时选择传统CNG城市客车3次试验的平均百公里气耗量41.744 9m3做为对比量，节气率为18.31%。

可以看出，相对于传统CNG城市客车，CNG混合动力客车节能效果明显。另外，CNG混合动力车型节能的主要原因可以通过对数据的分析进行解释，数据分析结果如图4和图5所示。

图4　 CNG混合动力客车速度与能耗的关系

图5　传统CNG客车速度与能耗的关系

通过对比传统CNG客车以及CNG混合动力客车的速度与能耗的曲线关系可以发现，混合动力客车的节能效果主要体现在车辆怠速、起动以及制动阶段。怠速阶段混合动力客车发动机停止工作，气耗量为0；当车辆起动时，BSG电机带动发动机快速达到起动转速，该过程也是由电机工作，发动机不参加工作，因此气耗量也为0；在减速阶段，混合动力客车发动机和电机同时工作，电机提供部分制动力，同时制动能量回收系统也开始工作，回收部分制动能量，从而降低能耗水平。而城市客车经常在这种频繁起停、怠速的工况下工作，因此混合动力系统的应用能够显著降低城市客车的能耗水平，达到节能效果。

4　结论

本文通过对我国现行的重型车辆能耗测试方法标准进行分析，以及使用动力形式不同的两辆重型城市客车按照GB/T 19754-2015中规定的方法进行测试，可以得出以下结论:

1）GB/T 19754-2015充分考虑了重型混合动力车燃料消耗量测试过程中需要考虑的充电形式的不同，驾驶模式的改变，以及NEC改变量的影响等各方面因素，适用于重型混合动力商用车能耗的测量。

2）试验数据表明，在行驶工况较为复杂的城市客车上使用混合动力系统会显著降低能耗水平，节能效果主要体现在车辆怠速、起动以及制动阶段。

［1］舒红宇，王锟，陈齐平，等.天然气混合动力城市客车动力系统的设计与开发［J］.重庆大学学报，2012，（35）2:112-117.

［2］全国汽车标准化技术委员会.重型商用车辆燃料消耗量限值:GB 30510-2014［S］.北京:中国标准出版社，2014:2.

［3］全国汽车标准化技术委员会.重型商用车辆燃料消耗量测量方法:GB/T 27840-2011［S］.北京:中国标准出版社，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］全国汽车标准化技术委员会.重型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法:GB/T 19754-2015［S］.北京:中国标准出版社，2015:5.

［6］魏昌宏，郭俊.超级电容并联式混合动力客车的能量消耗试验与计算［J］.客车技术与研究，2010，32（4）:45-47.

［7］张华，周荣.混联式混合动力汽车控制策略开发与仿真研究［J］.汽车技术，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

国家科技支撑计划:电动汽车及基础设施标准规范和测试技术研究项目（2015BAG07B00）

曹冬冬（1990-），男，硕士；主要从事电动汽车技术及标准研究。