景區道路純電動客車選型測試方案設計

詹振宇, 閆晟煜, 元軍鵬, 馬振祥

(中交第二航務工程局有限公司設計研究院, 武漢 430050)

景區純電動客車的選型是指通過選型測試,遴選適合景區復雜道路路況的純電動客車車型,以滿足景區游客的運輸需求。通過分析現有的相關標準,發現現有標準的測試場景無法覆蓋部分山地景區的復雜路況,不能滿足景區對純電動客車的選型需求。因此,本文提出一種針對景區復雜路況的選型測試方法,用于純電動客車的選型測試。

1 總體方案

我國有大量山地景區,景區內進行純電動客車道路試驗有其必要性:相較于傳統能源客車,不規則的山路坡道和彎道會對電池、電機等部件產生較大的壓力。本試驗方案為現場試驗,與傳統的實驗室試驗有所區別;在現場試驗的基礎上采取循環試驗法,完全模擬純電動客車電量降低至20%前在運行線路上的運行情況;結合山地景區線路起點海拔低,終點海拔高的特征,有針對性地作出區分,并提出上行試驗和下行試驗的側重指標與試驗要求。

整體評價指標的選擇:純電動客車的動力性通過在不同坡度路面的穩定車速及不同速度區間的加速度來評價;制動能力主要通過緩速制動和緊急制動的相關指標評價;經濟性主要依據能量消耗率與制動能量回收效率評價。

景區純電動客車運營線路的特點是始發站與終點站海拔差較大,在景區單一的上下行運營路線中,通常往程整體為上坡道路,返程整體為下坡道路,因此測試時可將1個往返程作為1個試車循環。每個試車循環分為上行試驗和下行試驗。為分析不同坡度下的測試數據,測試開始前,需采集路譜信息,以確定線路各點坡度。測試時車輛處于滿載狀態,空調溫度為20 ℃,按景區規定正常行駛。

本文測試場地為某景區西線客運線路,該線路全長29 km,始發站為山底A站(西門換乘中心),終點站為山頂B站(臺懷鎮換乘中心),陡坡路段較多,對長、陡坡道路按照等距取樣,道路縱坡度基本在10%以內,結果詳見表1。

表1 某景區客運線路縱坡取樣

本文提出的測試方法優點如下:①該測試方法屬于現場試驗,測試結果更接近車輛的真實運行工況;②在傳統測試方法的基礎上,增加了對三電部件的溫控檢測以及針對電池的續航能力測試,該方案適用于純電動客車的選型測試,同時也能兼容傳統能源客車的測試需求。

2 測試方法

2.1 上行試驗

上行過程主要側重動力性指標是否滿足要求,其次需要采集耗電性能相關數據,耗電性能數據在循環試驗中用于分析純電動客車的經濟性能。本文上行試驗指標的選取與分析主要依據文獻[1]中的相關內容。

在測試動力性指標時,采集實時速度、瞬時加速度、實時坡度。根據相關標準[2-3],處理數據時可追蹤實時坡度,將道路分為[0,5%)、[5%,9%)、9%及以上3個坡度等級,根據對應的實時車速,計算3個坡度等級下行駛時的平均穩定車速,以此評價車輛的爬坡能力。評價動力性的另一個指標是車輛爬坡時的加速度。將上坡過程分為[0,20)、[20,40)、40 km/h及以上3個速度區間,根據每個區間對應的瞬時加速度,計算不同速度區間內的平均加速度。

在上行試驗中記錄上坡續駛里程、荷電狀態(SOC)數據,并計算每百公里電耗?；谖墨I [4-5]的研究可計算出仿真狀態下傳統客車的油耗指標,基于文獻[6]計算仿真狀態的百公里電耗為參照。對比仿真油耗、模擬電耗以及實際電耗,評估純電動客車經濟水平。

與傳統能源客車相比,純電動客車通過動力電池、電機輸出動力,坡度較大時會加重三電部件工作負擔,存在熱失控的風險。上行試驗需實時監控電池、電機和電控系統的溫度。根據文獻[7]的研究,在環境溫度高于40 ℃或者低于0 ℃時, 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, 電池的放電效率小于80%, 因此鋰離子動力電池不適宜在環境溫度小于-15.5 ℃或者大于53 ℃時無輔助熱管理運行。

2.2 下行試驗

下坡路段主要進行制動性能測試,需要完成緩速制動試驗和緊急制動試驗。緩速制動測試是為了測試車輛的抗熱衰退能力;緊急制動試驗是為了測試車輛防抱死(EBS)性能,避免出現滑移、甩尾的情況。

兩種試驗均需滿足GB 12676—2014《商用車輛和掛車制動系統技術要求及試驗方法》[8]對車輛的制動力要求?？紤]景區實際運行中可能頻繁發生緩速制動與緊急制動,因此本測試方案要求在下行試驗中交替進行緊急制動試驗與緩速制動試驗,以模擬景區純電動客車真實運營條件。

實際運行中由于景區路況復雜,下坡車速一般在60 km/h以下,對于M3類客車,制動系統充分發揮作用時的制動指標參考GB 12676—2014的指標,詳見表2。其中制動距離由開始減速時的實驗車速v確定。

表2 制動試驗性能指標

緩速制動試驗根據GB 12676—2014在Ⅰ型試驗(衰退實驗)中的規定執行。

緊急制動試驗測試緊急制動能力,制動力、平均減速度、制動距離指標都應滿足表2的要求。本文通過滑移率指標判斷EBS是否充分發揮作用。當EBS充分發揮作用時,車輪的滑移率應保持在10%～30%的范圍內?；坡视嬎愎綖?

s=(u-ωr)/u

式中:s為滑移率;u為車速;ω為車輪滾動角速度;r為車輪半徑。

純電動客車需要增加制動能量回收效率指標,試驗中要記錄下坡過程耗電數據以分析純電動客車的經濟性。下行試驗中需采集下坡續駛里程、荷電狀態數據,可采用百公里耗電量表征耗電性能。也可以根據上行試驗與下行試驗數據計算制動能量回收效率。

2.3 循環測試方式

基于上行試驗與下行試驗開展循環測試,循環測試側重于收集上行試驗與下行試驗的耗電數據,綜合分析車輛經濟性能,制定運營調度策略。每個試車循環包括一個上行試驗和一個下行試驗。循環試驗需要進行多組試車循環以獲取3～5組有效數據。

2.4 分析示例

按照表1路線進行循環測試,得到某款純電動客車測試的相關數據如下:

1) 上坡行車數據顯示,在[0%,5%)、[5%,9%)、9%及以上道路坡度等級下,穩定車速分別為40.306、36.497、31.329 km/h;速度區間在[0,20) km/h、[20,40) km/h、40 km/h及以上,對應的平均加速度分別為0.732、0.659、0.426 m/s2。本試驗中只針對單一配置的客車進行了測試,在實際應用中,應測試收集不同配置的純電動客車動力性數據,橫向對比不同車型的性能,以選用更能滿足景區運營要求的客車。

2) 下行試驗得到緩速制動平均減速度為0.952 m/s2,測試過程減速度均在0.6 m/s2以上,表明緩速制動裝置制動力滿足要求;制動盤溫度無明顯增幅且均未超過270 ℃,表明未產生明顯的熱衰退現象;緊急制動測試時記錄數據顯示初始速度為59 km/h,平均減速度約6.5 m/s2,制動距離21 m,符合表2中的指標要求。

3) 循環測試結果顯示,滑移率平均計算結果為24.8%,未偏離最佳滑移率區間,表明EBS充分發揮作用,客車車輪有良好的縱向、側向附著力;測試上坡能量消耗率為0.48%、制動能量回收效率為75%,主要目的是對比不同車型的耗電性能,以此選出經濟性能更好的客車;循環試驗數據可用以研究發車配時等運輸規劃問題,在后續研究中將建立相關模型進一步分析。

3 結 論

1) 區分上行試驗與下行試驗可以根據實際運行情況細化測試指標,簡化測試流程,減少測試工作量,并充分模擬景區純電動客車運行線路的基本情況。

2) 測試方案本質上是考慮到景區運輸規劃的運營性測試,故選擇現場試驗方案可更好地評估該車型對特定道路環境的適應性和運營狀況,為遴選車型以及運輸規劃提供基本的數據支撐。

3) 本文的測試方法主要依據景區路況匹配滿足整體運營條件的車型,后續研究可根據客流量大小、道路擁堵狀況等指標進一步研究車型大小、座椅布置等微觀參數配置。