CNG混合动力城市客车C-WTVC循环研究

张亚 杨万江 肖伟

（中国汽车工程研究院股份有限公司）

城市客车是城市重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该类型车辆的燃料消耗量大，传统能源城市客车目前已被纯电动和插电式CNG混合动力所取代。混合动力汽车可以按照实际运行工况灵活控制多种动力源的分配，确保发动机工作在最佳工况，能够有效降低燃料消耗量；制动时能量回收系统可以将车辆的动能转换为电能存储，进一步降低了车辆的综合能耗；我国天然气资源丰富，具有清洁环保、价格低廉的优势。因此，插电式CNG混合动力城市客车占据着重要的地位。

1 重型车能耗标准现状

我国现行强制性标准GB30510—2018《重型商用车辆燃料消耗量限值》[1]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《重型商用车燃料消耗测试方法》[2]规定的C-WTVC测试循环，并根据最大总质量(GVW)对不同类别车型的燃料消耗量限值分别进行了规定。如下图1所示，随着GVW的增加，城市客车的燃料消耗量迅速增大，与客车燃料消耗量的差值不断增加，当GVW超过25 t时，城市客车的燃料消耗限值高达41.5 L/100 km，而同质量段的一般客车仅为25 L/100 km，增加了66%。

图1 城市客车和一般客车燃料消耗量限值比较

GB/T 19754—2015《重型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法》[3]适用于总质量大于3 500 kg的混合动力汽车，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，其中后者又分为有纯电动行驶模式和无纯电动行驶模式。对于混合动力城市客车，标准规定可在65%载荷状态下采用中国典型城市公交循环(CCBC循环)，或在满载状态下采用GB/T 27840—2011规定的C-WTVC循环进行试验[3]。为了与汽油和柴油城市客车在同工况下比较提供参考，主要研究混合动力城市客车C-WTVC循环工况下的能耗。

2 CNG混合动力城市客车C-WTVC工况能耗测试设计

2.1 试验样车

本次试验选取3家主流企业的3辆可外接充电型CNG混合动力城市客车进行试验。样车的主要技术参数如表1所示。

表1 试验样车主要技术参数

3辆CNG混合动力城市客车的动力系统均为混联结构，其结构示意如图2所示，主要由CNG发动机、ISG电机、TM驱动电机、动力蓄电池、控制系统等组成。当离合器闭合时，发动机经过AMT变速器带动驱动电机，驱动车辆行驶；当车辆行驶需要额外动力时，动力蓄电池放电，驱动电机工作为车辆提供额外动力；正常行驶中发动机富余功率通过ISG电机为动力蓄电池充电。当离合器断开时，动力蓄电池带动驱动电机工作，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动力蓄电池充电，进行制动能量回收，从而达到节能的目的。

图2 CNG混合动力城市客车动力系统结构示意图

2.2 试验方法

2.2.1 室外道路滑行试验

样车均处于满载状态，屏蔽制动能量回收系统，按GB/T 27840—2011的附录C，在标准试验场的平直路段(纵向坡度＜0.1%)进行滑行。试验用VBOX记录数据。

2.2.2 室内底盘测功机试验

按道路滑行试验测定计算的行驶阻力在重型底盘测功机上再现(期间需关闭制动能量回收系统)，并设定负荷。

对本次3辆均包含纯电动工作模式的外接充电型混合动力城市客车，首先调整动力蓄电池能量，达到制造厂规定的荷电状态上限。然后按GB/T 18386—2017《电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法》[4]的规定以（40±3）km/h的车速进行纯电续驶里程试验(第1阶段)；纯电试验后，每辆样车连续进行6次C-WTVC市区循环试验，根据试验结果分析能量调整阶段(第2阶段)和能量消耗阶段(第3阶段)。试验期间，使用功率分析仪测量动力蓄电池的端电压、供电电流、累积功率等；使用气耗仪测量发动机气耗。

2.2.3 试验环境条件

为尽可能减小温度对试验结果的影响，室外道路滑行环境温度控制在20～35℃；室内底盘测功机试验环境温度控制在20～30℃。

2.2.4 试验车速公差及停止条件

车辆加速、等速和制动减速时，实际车速与理论车速允许偏差为±3 km/h。

纯电续驶里程行驶试验以车速达不到36 km/h或发动机自动启动切换至混合动力模式停止。

3 试验结果及分析

3.1 滑行试验结果及分析

3辆样车满载滑行结果及拟合曲线如图3所示。可以看出1号样车滑行阻力最小，3号样车滑行阻力最大。

图3 样车道路滑行阻力

3.2 能量消耗量测试结果及分析

根据标准要求，对包含纯电工作模式的可外接充电型混合动力电动汽车的纯电等速续驶里程阶段、储能装置能量调整阶段、电量平衡阶段分别处理。

3.2.1 纯电等速续驶里程能耗

在纯电模式下对3辆样车进行了等速续驶里程行驶试验(第1阶段)，测试结果如表2所示。由测试结果可以看出：1号样车滑行阻力最小，电能消耗量最低；3号样车滑行阻力最大，电能消耗量最高。

表2 纯电模式等速续驶里程行驶试验结果

3.2.2 C-WTVC循环工况能耗

C-WTVC循环工况分段判定依据：NEC相对变化量绝对值(以下简称“NEC比值”)＞5%的循环为储能装置能量调整阶段；连续3次试验NEC比值≤5%，则该部分为电量平衡阶段。如果NEC比值≤1%，试验结果无需修正；1%＜NEC比值≤5%时，按标准推荐的线性插值法进行修正，以获得NEC变化量为0时的燃料消耗量。

3辆样车各循环测试结果以及按标准计算的NEC比值见表3～表5，各样车循环工况气耗流量见图4～图6。

图4 1号样车各循环车速及气耗流量

图6 3号样车各循环车速及气耗流量

表3 1号样车循环测试结果

表4 2号样车循环测试结果

表5 3号样车循环测试结果

图5 2号样车各循环车速及气耗流量

由测试结果可以看出：1)1号样车经过第1次循环调整后，在第2、3、4次循环NEC比值均≤5%，达到规定的电量平衡条件；2号样车6次循环NEC比值呈无规律变化；3号样车6次循环NEC比值均＞5%，REESS持续充电；2)3号样车滑行阻力最大，计算的试验循环总驱动能量却较小，分析是减速工况能量回收系统作用的结果。

根据上述试验数据，2辆样车没达到电量平衡，严格按照标准设定条件没办法归一化其综合能耗。但为了各样车间的横向比对，参考标准对各循环的NEC变化量与NG燃料消耗量拟合，结果如图7所示。可以看出，线性拟合度较好(R2≥0.9)，一定程度上也能够表征样车的能耗趋势：1)2号样车综合能耗偏高。通过循环气耗流量曲线发现，该车在车速40 km/h以下时，其发动机长期处于怠速状态，该现象在纯电续驶里程试验中同样存在(发动机长期怠速，但未参与驱动，也未对REESS进行充电，用于补充整车气压)；2)3号样车虽然持续充电，但综合能耗较低。通过循环气耗流量曲线发现，该车在循环的怠速和低速阶段发动机多处于不工作状态；在高速加速阶段发动机多处于最佳工作状态；在减速阶段，发动机迅速关闭，充分发挥能量回收系统的作用，持续为REESS充电，随着SOC的升高，发动机在后续循环的介入强度有自动越弱的趋势。

图7 参考拟合曲线

4 结论

通过对3款主流CNG混合动力城市客车进行测试和结果分析，可以得出以下结论：1)带能量回收系统的混合动力城市客车，滑行阻力大的车辆其综合能耗未必大；2)C-WTVC工况测试中持续充电的混合动力车辆，其综合能耗不一定高；仅通过6次循环就按标准得出整车控制策略不合理的结论不一定正确，整车控制策略的合理与否应以其综合能耗为唯一判定依据；3)部分混合动力车辆在纯电工作模式下，发动机在部分时段启动为整车补充气压(不参与驱动，也不为REESS充电)，GB/T 19754—2015中关于纯电工作模式结束的标志需要进一步细化，该部分消耗的燃料实际存在，也应明确如何处理；4)满载状态下混合动力城市客车按C-WTVC工况进行试验，3个车型中有2个未达到GB/T 19754—2015所述的电量平衡条件，达到电量平衡的车型NEC比值也不能严格满足SOC修正程序的要求，工况适用性有待进一步验证。