基于遠(yuǎn)程傳輸車輛數(shù)據(jù)的純電動(dòng)公交車能耗分析

倪丹

（北京公共交通控股(集團(tuán))有限公司，北京 100161）

引言

隨著國(guó)家對(duì)交通領(lǐng)域綠色發(fā)展、低碳環(huán)保的要求，新能源客車已經(jīng)逐漸成為城市公共交通領(lǐng)域的重要組成部分。北京公交集團(tuán)積極響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，開發(fā)、應(yīng)用新能源公交車，截至2023年，北京公交集團(tuán)的純電動(dòng)公交車已經(jīng)達(dá)到1 萬(wàn)余輛，占北京公交車輛總數(shù)的43%。純電動(dòng)公交車對(duì)低碳交通、實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)有重要意義，但純電動(dòng)公交車的續(xù)駛里程相對(duì)較短，且市區(qū)內(nèi)充電站建設(shè)不足，制約其進(jìn)一步推廣和使用。

能耗測(cè)算是純電動(dòng)公交車?yán)m(xù)駛里程估算、充電規(guī)劃、零部件耗能優(yōu)化等的基礎(chǔ)，車輛能耗受道路狀況、交通情況、駕駛習(xí)慣、氣候環(huán)境等各方面使用因素影響[1]。因此，實(shí)現(xiàn)全面的運(yùn)營(yíng)能耗測(cè)算及分析，對(duì)純電動(dòng)公交車的應(yīng)用推廣具有重大意義。本文利用遠(yuǎn)程傳輸?shù)能囕v數(shù)據(jù)，對(duì)純電動(dòng)公交車運(yùn)營(yíng)能耗計(jì)算分析方法進(jìn)行研究，計(jì)算車輛運(yùn)營(yíng)能耗及零部件能耗，分析能耗影響因素。

1 純電動(dòng)車能耗計(jì)算分析方法

由于當(dāng)前純電動(dòng)公交車的續(xù)駛里程相對(duì)較短，需要頻繁充電，但北京市內(nèi)新建充電站較為困難，限制了純電動(dòng)公交車的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。純電動(dòng)公交車能耗是影響續(xù)駛里程的直接因素，對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，分析影響因素是基于現(xiàn)有技術(shù)提升續(xù)駛里程的基礎(chǔ)?，F(xiàn)有對(duì)純電動(dòng)車能耗研究主要采用建模研究的方法[2-4]，測(cè)量則主要采用上車采集車輛信號(hào)的方法[5-6]，無(wú)法大規(guī)模對(duì)公交車的每趟運(yùn)營(yíng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。隨著汽車行業(yè)智能化、電動(dòng)化和網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展，純電動(dòng)公交車實(shí)時(shí)運(yùn)行的數(shù)據(jù)可以被采集和儲(chǔ)存，借助車載數(shù)據(jù)采集終端和車輛數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，可以利用遠(yuǎn)程傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分析純電動(dòng)公交車實(shí)際能耗及能耗的影響因素，有針對(duì)性地進(jìn)行車輛使用能耗優(yōu)化。

1.1 車輛數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)

本文的純電動(dòng)車能耗計(jì)算使用實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程傳輸?shù)墓卉囕v數(shù)據(jù)。車輛內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)CAN 總線（Controller Area Network，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的汽車總線協(xié)議）實(shí)現(xiàn)，CAN 總線上的數(shù)據(jù)包括車輛各總成零部件的傳感和控制信號(hào)，利用車載數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置及車載數(shù)據(jù)終端，通過(guò)4G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，依據(jù)JT/T 808標(biāo)準(zhǔn)定義的通訊協(xié)議和數(shù)據(jù)格式，將車輛數(shù)據(jù)傳輸至北京公交后臺(tái)，傳輸路徑如圖1 所示，傳輸頻率為1fps（幀/秒）。

純電動(dòng)車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖2 所示[5]，其主要耗能總成為電機(jī)、DC/DC 低壓電器系統(tǒng)、油泵、氣泵、空調(diào)?；趫D1 的傳輸原理，車輛通訊系統(tǒng)CAN總線中交換的數(shù)據(jù)均可進(jìn)行上傳，包括車輛電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）的數(shù)據(jù)，電機(jī)、DC/DC（低壓電器）、空調(diào)等電流、電壓數(shù)據(jù)，以及包括司機(jī)駕駛操作行為的車輛控制數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以用來(lái)監(jiān)測(cè)車輛運(yùn)行情況，進(jìn)行安全提示和報(bào)警，以及計(jì)算車輛能耗及統(tǒng)計(jì)分析駕駛行為。

1.2 純電動(dòng)車能耗計(jì)算方法

利用遠(yuǎn)程傳輸?shù)能囕v總成零部件電流電壓數(shù)據(jù)，可以計(jì)算純電動(dòng)車的能耗。純電動(dòng)車的能量均來(lái)自車載動(dòng)力電池，車輛總能耗可以使用車輛電池管理系統(tǒng)（BMS）的總電壓、總電流進(jìn)行計(jì)算，采用時(shí)間積分法，計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)的能耗值，其計(jì)算公式如下[6]。

圖1 北京公交車輛數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸路徑

其中，Q是一段時(shí)間內(nèi)的能耗，I是BMS 總電流，U是BMS總電壓，t1是開始計(jì)算時(shí)間，t2 是結(jié)束計(jì)算時(shí)間。按照同樣的計(jì)算方法，取BMS電流的負(fù)值，代入式（1）內(nèi)，可以計(jì)算純電動(dòng)車制動(dòng)回饋能量。

圖2 純電動(dòng)車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

將電機(jī)、空調(diào)、轉(zhuǎn)向助力油泵、氣泵、低壓電器等總成的電壓和電流帶入式（1），可以計(jì)算相應(yīng)總成零部件的能耗。

2 車輛能耗影響因素分析

選 取2023年1 月1 日 至10 月31 日 的120 路公交車運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)車輛行駛路單的運(yùn)營(yíng)發(fā)車時(shí)間及到達(dá)時(shí)間，計(jì)算該時(shí)間段內(nèi)的車輛總能耗、制動(dòng)回饋能耗、電機(jī)、空調(diào)、直流總成零部件的能耗及司機(jī)駕駛行為，分析能耗的影響因素。120 路公交線路如圖3 所示，公交車型號(hào)為BJ6123EVCA-47，車身長(zhǎng)12m，額定載客量81 人，始發(fā)站為左家莊，終點(diǎn)站為石榴園東，總運(yùn)營(yíng)長(zhǎng)度上行20.2km，下行19km。

圖3 120 路公交線路圖

2.1 車輛能耗分配關(guān)系

采用式（1）對(duì)120 路運(yùn)行能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，依據(jù)式（1）計(jì)算結(jié)果（表1），對(duì)120 路單趟總能耗及總成零部件的能耗進(jìn)行分析，從表1 中可以看出，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的能耗最高，其次是空調(diào)的能耗。

根據(jù)120 路純電動(dòng)車的能耗占比，空調(diào)能耗占總能耗的14.1%，說(shuō)明空調(diào)能耗對(duì)于整車能耗的影響是非常大的，通過(guò)具體分析車輛溫度和空調(diào)開啟操作，可以研究如何降低空調(diào)能耗。低壓電器占總能耗的8%，而早期純電動(dòng)車低壓電器僅占0.75%[6]，說(shuō)明車輛電子設(shè)施不斷完善，低壓配件的耗電量增加較多。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，公交車上裝配了較多用來(lái)傳輸車輛數(shù)據(jù)的低壓器件，如視頻、GPS、車輛數(shù)據(jù)、刷卡機(jī)、電視等，后期開發(fā)客車時(shí)可以將低壓電器的耗電量作為優(yōu)化項(xiàng)。

2.2 車輛能耗影響因素分析

純電動(dòng)公交車實(shí)際運(yùn)營(yíng)中的能耗與道路交通環(huán)境、司機(jī)的操作以及車輛各總成零部件的能耗相關(guān)，影響因素較多。對(duì)實(shí)際運(yùn)營(yíng)中的總能耗及零部件能耗進(jìn)行測(cè)算分析，對(duì)分析高能耗特征、制定針對(duì)性的優(yōu)化方案具有重要意義。

2.2.1 運(yùn)行季節(jié)

對(duì)單趟能耗及電機(jī)、空調(diào)等高能耗零部件的能耗按照月份計(jì)算平均值，如圖4 所示，可以看出純電動(dòng)公交車的能耗與季節(jié)有強(qiáng)相關(guān)性，在溫度較低（1-2月）及較高（6-8 月）的月份，單趟能耗及空調(diào)能耗較高，在溫度適宜的季節(jié)（4-5月及9-10月），單趟能耗及空調(diào)能耗較低。電機(jī)能耗隨季節(jié)的變化不明顯，在溫度較低的月份稍高。

2.2.2 運(yùn)行路況

北京市公共交通總體表現(xiàn)為平均車速低，怠速比例高，等速行駛比例小，北京公交車輛有加減速頻繁、等速和準(zhǔn)等速行駛時(shí)間短的特點(diǎn)，且不同路段、不同時(shí)間段的道路擁堵程度與客流量有較大的區(qū)別[7]。據(jù)此對(duì)包括周末及工作日、上下行的120 路公交車進(jìn)行不同行駛路況的能耗分析。

表1 120 路單趟運(yùn)營(yíng)及總成零部件平均能耗及占比

圖4 120 路單趟能耗、空調(diào)能耗及電機(jī)能耗

表2 120 路車輛工作日及周末運(yùn)營(yíng)平均能耗分析

表3 120 路車輛上下行運(yùn)營(yíng)能耗分析

120 路平均單趟能耗20.82kWh，平均車速16.98km/h。對(duì)120 路車輛工作日和周末的運(yùn)行能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析，分析結(jié)果為工作日平均單趟能耗21.00kWh，平均車速16.78km/h，周末平均單趟能耗20.40kWh，平均車速17.50km/h（表2）。工作日的車速低于周末的車速，說(shuō)明周末的擁堵程度較低。周末的行駛能耗低于工作日的行駛能耗。通過(guò)對(duì)耗能裝置能耗的分析，耗能裝置的能耗周末相對(duì)較低，與周末車速快、單趟時(shí)間短有關(guān)。

對(duì)120 路車輛的上下行運(yùn)營(yíng)平均能耗及耗能裝置能耗數(shù)據(jù)分析見表3，從表3 可看出，上行的平均車速高于下行的平均車速，能耗高于下行的能耗，上行與下行的空調(diào)、油泵、氣泵及低壓電器能耗接近，其能耗差別主要在于用于驅(qū)動(dòng)的電機(jī)能耗。該線路上行20.2km，下行19km，計(jì)算后上行百公里能耗103kWh，下行百公里109kWh，說(shuō)明即使是同一條線路，上下行的路況不同，導(dǎo)致能耗也相差較大，下行的平均車速較低，百公里能耗相對(duì)較高。

2.2.3 運(yùn)營(yíng)時(shí)間段

按照北京公交客流出行的特點(diǎn)，對(duì)120 路上行不同時(shí)間段的運(yùn)營(yíng)能耗進(jìn)行分析（表4），從表4中可以看出，不同時(shí)間段的能耗相差較大。

表4 120 路上行不同時(shí)間段的平均能耗分析

按照總能耗分析，21∶00 以后的能耗最低，主要是空調(diào)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)能耗低，6∶00-8∶00 時(shí)間段及19∶00-21∶00 時(shí)間段能耗較低，但低的原因不一樣，早上空調(diào)能耗較低，電機(jī)能耗較高，而晚上主要是電機(jī)能耗較低。總能耗最高的時(shí)間段是14∶00-16∶00 及16∶00-19∶00，最主要是空調(diào)能耗高，同時(shí)車速較低，說(shuō)明這段時(shí)間單趟時(shí)間較長(zhǎng)，空調(diào)開啟時(shí)間長(zhǎng)，低壓電器及氣泵能耗也相對(duì)較高。空調(diào)能耗最高時(shí)間段其能耗占總能耗的15%，優(yōu)化空調(diào)制造和使用是提高純電動(dòng)車?yán)m(xù)駛能力的重要方式。

3 結(jié)語(yǔ)

由于續(xù)駛里程和充電站的限制，純電動(dòng)車的推廣受到一定的限制。純電動(dòng)車的能耗測(cè)算及分析是研究能耗影響因素、降低高能耗的重要基礎(chǔ)。本文利用北京公交集團(tuán)的遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)，研究了車輛能耗的測(cè)算方法和運(yùn)營(yíng)總能耗、零部件能耗的計(jì)算統(tǒng)計(jì)方法，并從季節(jié)、路況、時(shí)間段等維度對(duì)能耗的影響因素進(jìn)行了分析。

分析車輛零部件的能耗分配，結(jié)果顯示空調(diào)對(duì)車輛能耗的影響較大，而且現(xiàn)在公交車內(nèi)的低壓電器耗電量也較高。純電動(dòng)公交車的能耗與季節(jié)有強(qiáng)相關(guān)性，在溫度較低及較高的月份單趟能耗及空調(diào)能耗較高，溫度適宜的季節(jié)單趟能耗及空調(diào)能耗較低。同樣的路線，行駛路況及能耗也不同。不同時(shí)間段的能耗也有較大差距，高能耗零部件主要是空調(diào)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，說(shuō)明優(yōu)化空調(diào)制造和使用是提高純電動(dòng)車?yán)m(xù)駛能力的重要方式。

該方法可以對(duì)運(yùn)營(yíng)能耗進(jìn)行全面測(cè)算，有利于公交集團(tuán)掌握純電動(dòng)公交車的能耗情況，分析高能耗影響因素，指導(dǎo)新車零部件制造方向，對(duì)推廣應(yīng)用純電動(dòng)公交車、實(shí)現(xiàn)低碳交通具有重要意義。