詹振宇, 閆晟煜, 元軍鵬, 馬振祥

(中交第二航務(wù)工程局有限公司設(shè)計(jì)研究院, 武漢 430050)

景區(qū)純電動(dòng)客車的選型是指通過選型測(cè)試,遴選適合景區(qū)復(fù)雜道路路況的純電動(dòng)客車車型,以滿足景區(qū)游客的運(yùn)輸需求。通過分析現(xiàn)有的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試場(chǎng)景無法覆蓋部分山地景區(qū)的復(fù)雜路況,不能滿足景區(qū)對(duì)純電動(dòng)客車的選型需求。因此,本文提出一種針對(duì)景區(qū)復(fù)雜路況的選型測(cè)試方法,用于純電動(dòng)客車的選型測(cè)試。

1 總體方案

我國有大量山地景區(qū),景區(qū)內(nèi)進(jìn)行純電動(dòng)客車道路試驗(yàn)有其必要性:相較于傳統(tǒng)能源客車,不規(guī)則的山路坡道和彎道會(huì)對(duì)電池、電機(jī)等部件產(chǎn)生較大的壓力。本試驗(yàn)方案為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)有所區(qū)別;在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上采取循環(huán)試驗(yàn)法,完全模擬純電動(dòng)客車電量降低至20%前在運(yùn)行線路上的運(yùn)行情況;結(jié)合山地景區(qū)線路起點(diǎn)海拔低,終點(diǎn)海拔高的特征,有針對(duì)性地作出區(qū)分,并提出上行試驗(yàn)和下行試驗(yàn)的側(cè)重指標(biāo)與試驗(yàn)要求。

整體評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇:純電動(dòng)客車的動(dòng)力性通過在不同坡度路面的穩(wěn)定車速及不同速度區(qū)間的加速度來評(píng)價(jià);制動(dòng)能力主要通過緩速制動(dòng)和緊急制動(dòng)的相關(guān)指標(biāo)評(píng)價(jià);經(jīng)濟(jì)性主要依據(jù)能量消耗率與制動(dòng)能量回收效率評(píng)價(jià)。

景區(qū)純電動(dòng)客車運(yùn)營線路的特點(diǎn)是始發(fā)站與終點(diǎn)站海拔差較大,在景區(qū)單一的上下行運(yùn)營路線中,通常往程整體為上坡道路,返程整體為下坡道路,因此測(cè)試時(shí)可將1個(gè)往返程作為1個(gè)試車循環(huán)。每個(gè)試車循環(huán)分為上行試驗(yàn)和下行試驗(yàn)。為分析不同坡度下的測(cè)試數(shù)據(jù),測(cè)試開始前,需采集路譜信息,以確定線路各點(diǎn)坡度。測(cè)試時(shí)車輛處于滿載狀態(tài),空調(diào)溫度為20 ℃,按景區(qū)規(guī)定正常行駛。

本文測(cè)試場(chǎng)地為某景區(qū)西線客運(yùn)線路,該線路全長(zhǎng)29 km,始發(fā)站為山底A站(西門換乘中心),終點(diǎn)站為山頂B站(臺(tái)懷鎮(zhèn)換乘中心),陡坡路段較多,對(duì)長(zhǎng)、陡坡道路按照等距取樣,道路縱坡度基本在10%以內(nèi),結(jié)果詳見表1。

表1 某景區(qū)客運(yùn)線路縱坡取樣

本文提出的測(cè)試方法優(yōu)點(diǎn)如下:①該測(cè)試方法屬于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),測(cè)試結(jié)果更接近車輛的真實(shí)運(yùn)行工況;②在傳統(tǒng)測(cè)試方法的基礎(chǔ)上,增加了對(duì)三電部件的溫控檢測(cè)以及針對(duì)電池的續(xù)航能力測(cè)試,該方案適用于純電動(dòng)客車的選型測(cè)試,同時(shí)也能兼容傳統(tǒng)能源客車的測(cè)試需求。

2 測(cè)試方法

2.1 上行試驗(yàn)

上行過程主要側(cè)重動(dòng)力性指標(biāo)是否滿足要求,其次需要采集耗電性能相關(guān)數(shù)據(jù),耗電性能數(shù)據(jù)在循環(huán)試驗(yàn)中用于分析純電動(dòng)客車的經(jīng)濟(jì)性能。本文上行試驗(yàn)指標(biāo)的選取與分析主要依據(jù)文獻(xiàn)[1]中的相關(guān)內(nèi)容。

在測(cè)試動(dòng)力性指標(biāo)時(shí),采集實(shí)時(shí)速度、瞬時(shí)加速度、實(shí)時(shí)坡度。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[2-3],處理數(shù)據(jù)時(shí)可追蹤實(shí)時(shí)坡度,將道路分為[0,5%)、[5%,9%)、9%及以上3個(gè)坡度等級(jí),根據(jù)對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)車速,計(jì)算3個(gè)坡度等級(jí)下行駛時(shí)的平均穩(wěn)定車速,以此評(píng)價(jià)車輛的爬坡能力。評(píng)價(jià)動(dòng)力性的另一個(gè)指標(biāo)是車輛爬坡時(shí)的加速度。將上坡過程分為[0,20)、[20,40)、40 km/h及以上3個(gè)速度區(qū)間,根據(jù)每個(gè)區(qū)間對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)加速度,計(jì)算不同速度區(qū)間內(nèi)的平均加速度。

在上行試驗(yàn)中記錄上坡續(xù)駛里程、荷電狀態(tài)(SOC)數(shù)據(jù),并計(jì)算每百公里電耗?；谖墨I(xiàn) [4-5]的研究可計(jì)算出仿真狀態(tài)下傳統(tǒng)客車的油耗指標(biāo),基于文獻(xiàn)[6]計(jì)算仿真狀態(tài)的百公里電耗為參照。對(duì)比仿真油耗、模擬電耗以及實(shí)際電耗,評(píng)估純電動(dòng)客車經(jīng)濟(jì)水平。

與傳統(tǒng)能源客車相比,純電動(dòng)客車通過動(dòng)力電池、電機(jī)輸出動(dòng)力,坡度較大時(shí)會(huì)加重三電部件工作負(fù)擔(dān),存在熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。上行試驗(yàn)需實(shí)時(shí)監(jiān)控電池、電機(jī)和電控系統(tǒng)的溫度。根據(jù)文獻(xiàn)[7]的研究,在環(huán)境溫度高于40 ℃或者低于0 ℃時(shí), 電池單體的放電效率明顯下降。在溫度小于-15.5 ℃或者大于53 ℃時(shí), 電池的放電效率小于80%, 因此鋰離子動(dòng)力電池不適宜在環(huán)境溫度小于-15.5 ℃或者大于53 ℃時(shí)無輔助熱管理運(yùn)行。

2.2 下行試驗(yàn)

下坡路段主要進(jìn)行制動(dòng)性能測(cè)試,需要完成緩速制動(dòng)試驗(yàn)和緊急制動(dòng)試驗(yàn)。緩速制動(dòng)測(cè)試是為了測(cè)試車輛的抗熱衰退能力;緊急制動(dòng)試驗(yàn)是為了測(cè)試車輛防抱死(EBS)性能,避免出現(xiàn)滑移、甩尾的情況。

兩種試驗(yàn)均需滿足GB 12676—2014《商用車輛和掛車制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗(yàn)方法》[8]對(duì)車輛的制動(dòng)力要求?？紤]景區(qū)實(shí)際運(yùn)行中可能頻繁發(fā)生緩速制動(dòng)與緊急制動(dòng),因此本測(cè)試方案要求在下行試驗(yàn)中交替進(jìn)行緊急制動(dòng)試驗(yàn)與緩速制動(dòng)試驗(yàn),以模擬景區(qū)純電動(dòng)客車真實(shí)運(yùn)營條件。

實(shí)際運(yùn)行中由于景區(qū)路況復(fù)雜,下坡車速一般在60 km/h以下,對(duì)于M3類客車,制動(dòng)系統(tǒng)充分發(fā)揮作用時(shí)的制動(dòng)指標(biāo)參考GB 12676—2014的指標(biāo),詳見表2。其中制動(dòng)距離由開始減速時(shí)的實(shí)驗(yàn)車速v確定。

表2 制動(dòng)試驗(yàn)性能指標(biāo)

緩速制動(dòng)試驗(yàn)根據(jù)GB 12676—2014在Ⅰ型試驗(yàn)(衰退實(shí)驗(yàn))中的規(guī)定執(zhí)行。

緊急制動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試緊急制動(dòng)能力,制動(dòng)力、平均減速度、制動(dòng)距離指標(biāo)都應(yīng)滿足表2的要求。本文通過滑移率指標(biāo)判斷EBS是否充分發(fā)揮作用。當(dāng)EBS充分發(fā)揮作用時(shí),車輪的滑移率應(yīng)保持在10%～30%的范圍內(nèi)?；坡视?jì)算公式為:

s=(u-ωr)/u

式中:s為滑移率;u為車速;ω為車輪滾動(dòng)角速度;r為車輪半徑。

純電動(dòng)客車需要增加制動(dòng)能量回收效率指標(biāo),試驗(yàn)中要記錄下坡過程耗電數(shù)據(jù)以分析純電動(dòng)客車的經(jīng)濟(jì)性。下行試驗(yàn)中需采集下坡續(xù)駛里程、荷電狀態(tài)數(shù)據(jù),可采用百公里耗電量表征耗電性能。也可以根據(jù)上行試驗(yàn)與下行試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算制動(dòng)能量回收效率。

2.3 循環(huán)測(cè)試方式

基于上行試驗(yàn)與下行試驗(yàn)開展循環(huán)測(cè)試,循環(huán)測(cè)試側(cè)重于收集上行試驗(yàn)與下行試驗(yàn)的耗電數(shù)據(jù),綜合分析車輛經(jīng)濟(jì)性能,制定運(yùn)營調(diào)度策略。每個(gè)試車循環(huán)包括一個(gè)上行試驗(yàn)和一個(gè)下行試驗(yàn)。循環(huán)試驗(yàn)需要進(jìn)行多組試車循環(huán)以獲取3～5組有效數(shù)據(jù)。

2.4 分析示例

按照表1路線進(jìn)行循環(huán)測(cè)試,得到某款純電動(dòng)客車測(cè)試的相關(guān)數(shù)據(jù)如下:

1) 上坡行車數(shù)據(jù)顯示,在[0%,5%)、[5%,9%)、9%及以上道路坡度等級(jí)下,穩(wěn)定車速分別為40.306、36.497、31.329 km/h;速度區(qū)間在[0,20) km/h、[20,40) km/h、40 km/h及以上,對(duì)應(yīng)的平均加速度分別為0.732、0.659、0.426 m/s2。本試驗(yàn)中只針對(duì)單一配置的客車進(jìn)行了測(cè)試,在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)測(cè)試收集不同配置的純電動(dòng)客車動(dòng)力性數(shù)據(jù),橫向?qū)Ρ炔煌囆偷男阅?以選用更能滿足景區(qū)運(yùn)營要求的客車。

2) 下行試驗(yàn)得到緩速制動(dòng)平均減速度為0.952 m/s2,測(cè)試過程減速度均在0.6 m/s2以上,表明緩速制動(dòng)裝置制動(dòng)力滿足要求;制動(dòng)盤溫度無明顯增幅且均未超過270 ℃,表明未產(chǎn)生明顯的熱衰退現(xiàn)象;緊急制動(dòng)測(cè)試時(shí)記錄數(shù)據(jù)顯示初始速度為59 km/h,平均減速度約6.5 m/s2,制動(dòng)距離21 m,符合表2中的指標(biāo)要求。

3) 循環(huán)測(cè)試結(jié)果顯示,滑移率平均計(jì)算結(jié)果為24.8%,未偏離最佳滑移率區(qū)間,表明EBS充分發(fā)揮作用,客車車輪有良好的縱向、側(cè)向附著力;測(cè)試上坡能量消耗率為0.48%、制動(dòng)能量回收效率為75%,主要目的是對(duì)比不同車型的耗電性能,以此選出經(jīng)濟(jì)性能更好的客車;循環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可用以研究發(fā)車配時(shí)等運(yùn)輸規(guī)劃問題,在后續(xù)研究中將建立相關(guān)模型進(jìn)一步分析。

3 結(jié) 論

1) 區(qū)分上行試驗(yàn)與下行試驗(yàn)可以根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況細(xì)化測(cè)試指標(biāo),簡(jiǎn)化測(cè)試流程,減少測(cè)試工作量,并充分模擬景區(qū)純電動(dòng)客車運(yùn)行線路的基本情況。

2) 測(cè)試方案本質(zhì)上是考慮到景區(qū)運(yùn)輸規(guī)劃的運(yùn)營性測(cè)試,故選擇現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案可更好地評(píng)估該車型對(duì)特定道路環(huán)境的適應(yīng)性和運(yùn)營狀況,為遴選車型以及運(yùn)輸規(guī)劃提供基本的數(shù)據(jù)支撐。

3) 本文的測(cè)試方法主要依據(jù)景區(qū)路況匹配滿足整體運(yùn)營條件的車型,后續(xù)研究可根據(jù)客流量大小、道路擁堵狀況等指標(biāo)進(jìn)一步研究車型大小、座椅布置等微觀參數(shù)配置。