混合動力城市公交車節能環保效益分析與研究＊

李孟良 胡友波 艾 毅 李鐵軍 馮玉橋

（中國汽車技術研究中心1） 天津 300162） （武漢理工大學汽車工程學院2） 武漢 430072）（北京市環境保護局機動車排放管理處3） 北京 100044）

在控制機動車排放方面的一個重要舉措就是大力發展公共交通，積極發展低排放公交車.混合動力汽車技術的不斷成熟，為低排放公交車發展提供了可選的方向.混合動力技術在公交車上的應用越來越受到政府部門的關注，而對其節能環保效益分析仍然沒有形成統一的評價體系.本文采用車載排放測試系統（PEMS）對6類城市公交車的能耗和排放進行測試，結合在北京市121公交線路的實際運營成本，通過混合動力與常規柴油公交車的比較對混合動力公交車節能環保效益進行評估，研究混合動力公交車較常規柴油公交車在節能減排方面的優勢.

1 測試車輛及試驗方案

本試驗設備采用中國汽車技術研究中心的車載排放測試系統（portable emission measure system，PEMS）［1－2］.

1.1 測試車輛

本試驗測試的5類混合動力城市公交車都是在國III排放水平發動機的基礎上研制.另外還提供1輛JNP6120G－1型常規柴油車作為混合動力公交車的對比車輛，各車輛主要技術參數見表1.

1.2 試驗方案

在北京交通部公路試驗場地，對混合動力公交車的能耗和排放性能同時進行測試，測試大綱參照GB／T 19754－2005《重型混合動力電動汽車 能量消耗量試驗方法》［3］.駕駛員根據車輛行駛工況跟蹤系統對車速進行控制，復現和跟蹤中國典型城市公交循環工況.利用車載排放測試系統（OBS－2200 和 ELPI）以 及 能 耗 測 試 系 統（Flowtronic210油耗儀和 WT1600型數字電功計）獲取車輛在該循環下污染物實時排放（HC，CO，NOx和PM）、燃油消耗以及電能消耗數據.

在測試前，調試測試設備，按照目標工況進行一次預循環，待測試系統穩定后測試車輛的能耗與排放性能，實時存儲數據.每輛車重復測試3次，最終結果取算術平均值.

表1 測試公交車輛主要技術參數

2 數據處理及分析

2.1 能量消耗

混合動力車輛采用內燃機和電動機作為混合動力源，其能耗構成包括發動機油耗和可再充式儲能裝置（RESS）的凈能量消耗，本試驗將混合動力的能耗測試分為發動機油耗測試和RESS電量消耗測試兩部分.

重型混合動力電動汽車的實際油耗要考慮電量儲能補償的影響，相關文獻給出了電量儲能對燃油消耗計算的修正.本節中修正油耗量的計算正是采用GB／T 19754－2005中的公式和換算系數，即3.02kW·h的電能相當于1L燃油的能量.

對鎳氫電池組在測試循環中瞬時的電流值進行積分，結合電池組標稱電壓計算RESS的凈能量來修正百公里油耗；對于超級電容器，則根據測試循環前后電容電壓的差值來計算RESS的凈能量并以此來修正百公里油耗［4－5］.將混合動力與常規柴油公交車輛能耗進行對比，見圖1.

圖1 城市公交車能耗對比

與常規柴油公交車相比，混合動力城市公交車輛平均百公里油耗都有不同程度的降低，而且不同車型混合動力城市公交車表現出來的節油效果不同.混合動力車輛發動機大部分時間都處在高效區域，工作區間較為穩定，其能耗水平低于常規車輛.混合動力車輛中HEV－C節油效果較為顯著，主要得益于其采用了高效的儲能裝置，超級電容器的充放電效率很高，且具有較大的放電深度，一般在90%以上（而鎳氫蓄電池通常只有70%左右），能夠有效地吸收或釋放瞬時大電量.

2.2 污染物排放

采用車載排放測試系統中OBS－2200和ELPI測試公交車尾氣中HC，CO，NOx和PM的瞬時排放，經過數據處理后可以計算排出各污染物的總量，結合行駛里程可以測算出不同污染物的排放因子（g／km）.重復測試3次，取算術平均值.將排放測試結果進行處理后與常規柴油車進行對比.

NOx和PM作為柴油車主要污染物排放，存在折衷的關系.HEV－D和 HEV－E車輛NOx排放分別高出常規柴油車22.2%和65.3%，但其PM排放分別降低76.1%和55.2%.

3 車輛成本分析

3.1 混合動力成本與常規柴油車成本的比較

5類混合動力城市公交車和1輛常規純柴油公交車在北京市121公交車隊示范運行，時間從2008年7月截至12月，將混合動力與常規柴油車進行對比研究，分析混合動力的總成本增量.

混合動力城市公交車總成本增量包括車輛購置成本增量、故障成本增量和節油成本.

車輛購置成本增量是指每輛混合動力公交車的購買成本較常規柴油車高30萬元.

故障成本增量將在3.2中進行分析.

節油成本指混合動力公交車較常規柴油車節省燃油的費用，按運行時期柴油市場價格6.23元／L計算.

混合動力公交車與常規柴油車在統一加油站使用0＃柴油，無需另外增加公交加油站和停靠站等基礎設施建設的投入.

3.2 車輛故障成本分析

車輛故障成本包括人力工時成本和更換零部件成本.人力工時成本＝人工維修故障工時數×人工小時費.

根據GB／T 13043－2006《客車定型試驗規程》［6］中按照車輛發生故障的嚴重程度對示范運行的6輛公交車的故障跟蹤記錄和分類，并按規程中的當量系數換算成一般故障，如表2所列.

表2 公交車故障分類 次

依據試驗規程中對故障嚴重程度的規定，排除一般故障大約花費30min時間，而按此標準可計算各車型人工維修故障工時數.另外，人工小時費按每小時40元人民幣進行計算，由此可得出各車型在示范運行期間的故障維修所耗費的工時成本.

與混合動力公交車相比，常規柴油車的故障次數較少，故障總成本較低.由表3可以計算示范運行期間各混合動力城市公交車較常規柴油車多出的故障成本增量.

表3 運行期間公交車輛故障成本 元

4 節能環保效益分析

在分析不同車型油耗和排放削減的基礎上，根據車輛購置成本、故障成本和節油成本，分析混合動力城市公交車的節能環保效益.混合動力的節能效益用燃油節省量來評價；采用混合動力單位成本增量（與常規車輛相比）的污染物排放削減量來分析環保效益，單位：g／元，也就是混合動力車輛較常規車輛多投入的單位成本所削減的污染物排放的質量，公式表示如下.

式中：B為環保效益，mg／元或g／元；ΔP為混合動力排放削減量，g；ΔC為混合動力車輛購置成本較常規車增量，元；ΔCg為混合動力車輛故障成本較常規車增量，元；ΔCj為混合動力節省燃油的成本，元.

4.1 油耗和排放削減率

依據第3節中采用車載排放測試系統測得HC，CO，NOx和PM的排放與能耗數據，將混合動力城市公交車測試結果與參比常規車輛進行對比研究，分別計算各混合動力的排放削減率和油耗削減率，如表4所列.

表4 油耗與排放削減率

4.2 運行期間油耗和排放效益評價

根據運行期間不同車型的行駛里程，結合油耗削減率和排放削減可計算各個混合動力城市公交車型的油耗和排放削減總量，如表5所列.

不同車型的油耗和排放削減量差異性較大.只有HEV－B混合動力公交車四種污染物的排放均有所減少，其他車型只能減少三種污染物的排放.運行期間，5輛混合動力車累計節省燃油2 529L，減少污染物排放81.83kg.HEV－C油耗削減量最大，累計節油達1 117L，占累計節油的44.2%；HEV－B排放削減量最多，減排達20 051g，占總污染物削減量的24.5%.

表5 油耗與排放削減量

不同車型污染物排放效益有所差異.HEV－B排放效益較好，較常規車輛多投入一元的成本，可削減66.87mg的污染物排放量.

根據式（1）將表5中混合動力城市公交車污染物排放削減總量除以混合動力最終的成本增量，分析各車型的環保效益，如表6所列.

表6 排放效益

4.3 車輛生命周期內油耗與排放效益分析

一般來說，公交車輛的生命周期為10a，行駛里程為500 000km.依據上述5.1～5.2運行期間油耗和排放效益的計算方法，結合車輛生命周期內行駛里程（假定混合動力城市公交車生命周期內行駛里程均能達到500 000km，可對生命周期內各車型的油耗和污染物排放效益進行評估，如表7所列.

混合動力城市公交車具有良好的節能減排效果.在生命周期內，5輛公交車累計可節省燃油14.05萬L，減少污染物的排放量達5.28t.

假定混合動力城市公交車和常規柴油車的排放劣化一致，并且不考慮混合動力更換動力電池的成本，按照運行期間混合動力較常規柴油車每公里多出的故障成本計算混合動力生命周期內的總故障成本增量.依據式（1）分析不同車型的環保效益，如表8所列.

表7 生命周期內HEB油耗與排放削減量

通過計算分析，HEV－C混合動力公交車在行駛里程達到49.3萬km的時候，節省的燃油成本剛好可以抵消其較常規車多出的購置成本和故障成本增量，同時可以帶來純的減排效益.而其他車輛在生命周期內都不能收回其成本增量，較常規車輛多出的成本用來減少污染物的排放.

在混合動力公交車生命周期內沒有收回成本增量的情況下，HEV－D的排放效益最好，較常規柴油車多投入一元的成本能夠產生減少5.57g污染物的環保效益.與HEV－D比較HEV－B的減排效益有所下降，主要原因是由于HEV－D的節油率高，隨著行駛里程的增加，節油成本較大，使得最終的排放效益增加.

表8 生命周期內混合動力環保效益

4.4 排放效益對比分析

隨著混合動力城市公交車行駛里程的增加，將其成本增量與污染物排放效益的變化分別進行比較，研究各自的變化趨勢，如圖2所示.

圖2 HEB成本增量與排放效益對比

隨著車輛行駛里程數的增加，混合動力城市公交車的成本增量逐漸減少，HEV－C車輛下降的趨勢最為顯著，主要是由于其節油率率最大，隨著行駛里程的增加，節油成本不斷增加，導致最終的成本增量下降.

同時，隨著行駛里程數的增加，混合動力公交車的污染物排放效益越來越好.HEV－C里程數達到46萬km以后，其排放效益急劇升高，這是由于車輛達到較高的行駛里程數以后，節油成本越來越接近車輛購置成本增量和故障成本增量之和，使得排放效益公式中的分母值越來越小，導致排放效益急劇增加.

5 結 論

1）混合動力城市公交車具有良好的節能效果，與常規柴油車相比平均節油率在14.5%左右.節油率最高達到26.5%.混合動力車輛節油率大小不僅與整車質量、車輛控制匹配等有關，而且與RESS有密切的聯系.

2）重型柴油機在NOx和PM排放方面存在折衷的關系.由于控制策略的約束，混合動力公交的各種污染物排放增減趨勢不同，發動機仍然沒有達到預期的理想的工作區域，某些污染物排放存在增加的現象.部分車輛PM排放的效果較好，但其NOx排放的控制效果卻較差.

3）與混合動力城市公交車相比，常規柴油公交車的故障次數較少，故障程度較輕，故障成本也較少.

4）與常規柴油車相比，混合動力城市公交車具有良好節能環保效果.在生命周期內，5輛混合動力車輛累計可節省燃油14.05萬L，減少污染物的排放量達5.28t.而且當節油率達到了26%，除了產生巨大環保效益外，在車輛生命周期內可以收回全部成本增量.

［1］陳燕濤.車輛道路排放測試技術的研究［D］.武漢：武漢理工大學汽車工程學院，2006.

［2］Johnson K，Durbin T，Cocker D，et al.On－road evaluation of a PEMS for measuring gaseous in－use emissions from a heavy－duty diesel vehicle ［R］.SAE World Congress ＆ Exhibition：Detroit，MI，2008.

［3］國家標準局.GB／T19754－2005重型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法［S］.北京：中國標準出版社，2005.

［4］劉伏萍，李孟良.混合動力燃油經濟性分析，中國電動車輛研究與開發［R］.北京：北京理工大學出版社，2005.

［5］劉伏萍.混合動力車輛能量消耗和排放測試的研究［D］.武漢：武漢理工大學汽車工程學院，2006.

［6］國家標準局.GB／T13043－2006客車定型試驗規程［S］.北京：中國標準出版社，2006.