基于遠程傳輸車輛數據的純電動公交車能耗分析

倪丹

（北京公共交通控股(集團)有限公司，北京 100161）

引言

隨著國家對交通領域綠色發展、低碳環保的要求，新能源客車已經逐漸成為城市公共交通領域的重要組成部分。北京公交集團積極響應國家號召，開發、應用新能源公交車，截至2023年，北京公交集團的純電動公交車已經達到1 萬余輛，占北京公交車輛總數的43%。純電動公交車對低碳交通、實現雙碳目標有重要意義，但純電動公交車的續駛里程相對較短，且市區內充電站建設不足，制約其進一步推廣和使用。

能耗測算是純電動公交車續駛里程估算、充電規劃、零部件耗能優化等的基礎，車輛能耗受道路狀況、交通情況、駕駛習慣、氣候環境等各方面使用因素影響[1]。因此，實現全面的運營能耗測算及分析，對純電動公交車的應用推廣具有重大意義。本文利用遠程傳輸的車輛數據，對純電動公交車運營能耗計算分析方法進行研究，計算車輛運營能耗及零部件能耗，分析能耗影響因素。

1 純電動車能耗計算分析方法

由于當前純電動公交車的續駛里程相對較短，需要頻繁充電，但北京市內新建充電站較為困難，限制了純電動公交車的進一步推廣應用。純電動公交車能耗是影響續駛里程的直接因素，對其進行準確測量，分析影響因素是基于現有技術提升續駛里程的基礎。現有對純電動車能耗研究主要采用建模研究的方法[2-4]，測量則主要采用上車采集車輛信號的方法[5-6]，無法大規模對公交車的每趟運營進行監測。隨著汽車行業智能化、電動化和網聯化的發展，純電動公交車實時運行的數據可以被采集和儲存，借助車載數據采集終端和車輛數據處理平臺，可以利用遠程傳輸的數據分析純電動公交車實際能耗及能耗的影響因素，有針對性地進行車輛使用能耗優化。

1.1 車輛數據遠程傳輸技術

本文的純電動車能耗計算使用實時遠程傳輸的公交車輛數據。車輛內部數據傳輸通過CAN 總線（Controller Area Network，國際標準的汽車總線協議）實現，CAN 總線上的數據包括車輛各總成零部件的傳感和控制信號，利用車載數據轉發裝置及車載數據終端，通過4G 無線網絡，依據JT/T 808標準定義的通訊協議和數據格式，將車輛數據傳輸至北京公交后臺，傳輸路徑如圖1 所示，傳輸頻率為1fps（幀/秒）。

純電動車系統結構原理如圖2 所示[5]，其主要耗能總成為電機、DC/DC 低壓電器系統、油泵、氣泵、空調。基于圖1 的傳輸原理，車輛通訊系統CAN總線中交換的數據均可進行上傳，包括車輛電池管理系統（Battery Management System，BMS）的數據，電機、DC/DC（低壓電器）、空調等電流、電壓數據，以及包括司機駕駛操作行為的車輛控制數據。這些數據可以用來監測車輛運行情況，進行安全提示和報警，以及計算車輛能耗及統計分析駕駛行為。

1.2 純電動車能耗計算方法

利用遠程傳輸的車輛總成零部件電流電壓數據，可以計算純電動車的能耗。純電動車的能量均來自車載動力電池，車輛總能耗可以使用車輛電池管理系統（BMS）的總電壓、總電流進行計算，采用時間積分法，計算一段時間內的能耗值，其計算公式如下[6]。

圖1 北京公交車輛數據遠程傳輸路徑

其中，Q是一段時間內的能耗，I是BMS 總電流，U是BMS總電壓，t1是開始計算時間，t2 是結束計算時間。按照同樣的計算方法，取BMS電流的負值，代入式（1）內，可以計算純電動車制動回饋能量。

圖2 純電動車系統結構原理圖

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

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 路公交車運行數據進行分析，根據車輛行駛路單的運營發車時間及到達時間，計算該時間段內的車輛總能耗、制動回饋能耗、電機、空調、直流總成零部件的能耗及司機駕駛行為，分析能耗的影響因素。120 路公交線路如圖3 所示，公交車型號為BJ6123EVCA-47，車身長12m，額定載客量81 人，始發站為左家莊，終點站為石榴園東，總運營長度上行20.2km，下行19km。

圖3 120 路公交線路圖

2.1 車輛能耗分配關系

采用式（1）對120 路運行能耗數據進行計算，依據式（1）計算結果（表1），對120 路單趟總能耗及總成零部件的能耗進行分析，從表1 中可以看出，驅動電機的能耗最高，其次是空調的能耗。

根據120 路純電動車的能耗占比，空調能耗占總能耗的14.1%，說明空調能耗對于整車能耗的影響是非常大的，通過具體分析車輛溫度和空調開啟操作，可以研究如何降低空調能耗。低壓電器占總能耗的8%，而早期純電動車低壓電器僅占0.75%[6]，說明車輛電子設施不斷完善，低壓配件的耗電量增加較多。隨著信息化技術的發展，公交車上裝配了較多用來傳輸車輛數據的低壓器件，如視頻、GPS、車輛數據、刷卡機、電視等，后期開發客車時可以將低壓電器的耗電量作為優化項。

2.2 車輛能耗影響因素分析

純電動公交車實際運營中的能耗與道路交通環境、司機的操作以及車輛各總成零部件的能耗相關，影響因素較多。對實際運營中的總能耗及零部件能耗進行測算分析，對分析高能耗特征、制定針對性的優化方案具有重要意義。

2.2.1 運行季節

對單趟能耗及電機、空調等高能耗零部件的能耗按照月份計算平均值，如圖4 所示，可以看出純電動公交車的能耗與季節有強相關性，在溫度較低（1-2月）及較高（6-8 月）的月份，單趟能耗及空調能耗較高，在溫度適宜的季節（4-5月及9-10月），單趟能耗及空調能耗較低。電機能耗隨季節的變化不明顯，在溫度較低的月份稍高。

2.2.2 運行路況

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

表1 120 路單趟運營及總成零部件平均能耗及占比

圖4 120 路單趟能耗、空調能耗及電機能耗

表2 120 路車輛工作日及周末運營平均能耗分析

表3 120 路車輛上下行運營能耗分析

120 路平均單趟能耗20.82kWh，平均車速16.98km/h。對120 路車輛工作日和周末的運行能耗數據進行進一步分析，分析結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。通過對耗能裝置能耗的分析，耗能裝置的能耗周末相對較低，與周末車速快、單趟時間短有關。

對120 路車輛的上下行運營平均能耗及耗能裝置能耗數據分析見表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、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動的電機能耗。該線路上行20.2km，下行19km，計算后上行百公里能耗103kWh，下行百公里109kWh，說明即使是同一條線路，上下行的路況不同，導致能耗也相差較大，下行的平均車速較低，百公里能耗相對較高。

2.2.3 運營時間段

按照北京公交客流出行的特點，對120 路上行不同時間段的運營能耗進行分析（表4），從表4中可以看出，不同時間段的能耗相差較大。

表4 120 路上行不同時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，主要是空調及驅動電機能耗低，6∶00-8∶00 時間段及19∶00-21∶00 時間段能耗較低，但低的原因不一樣，早上空調能耗較低，電機能耗較高，而晚上主要是電機能耗較低。總能耗最高的時間段是14∶00-16∶00 及16∶00-19∶00，最主要是空調能耗高，同時車速較低，說明這段時間單趟時間較長，空調開啟時間長，低壓電器及氣泵能耗也相對較高。空調能耗最高時間段其能耗占總能耗的15%，優化空調制造和使用是提高純電動車續駛能力的重要方式。

3 結語

由于續駛里程和充電站的限制，純電動車的推廣受到一定的限制。純電動車的能耗測算及分析是研究能耗影響因素、降低高能耗的重要基礎。本文利用北京公交集團的遠程傳輸數據，研究了車輛能耗的測算方法和運營總能耗、零部件能耗的計算統計方法，并從季節、路況、時間段等維度對能耗的影響因素進行了分析。

分析車輛零部件的能耗分配，結果顯示空調對車輛能耗的影響較大，而且現在公交車內的低壓電器耗電量也較高。純電動公交車的能耗與季節有強相關性，在溫度較低及較高的月份單趟能耗及空調能耗較高，溫度適宜的季節單趟能耗及空調能耗較低。同樣的路線，行駛路況及能耗也不同。不同時間段的能耗也有較大差距，高能耗零部件主要是空調和驅動電機，說明優化空調制造和使用是提高純電動車續駛能力的重要方式。

該方法可以對運營能耗進行全面測算，有利于公交集團掌握純電動公交車的能耗情況，分析高能耗影響因素，指導新車零部件制造方向，對推廣應用純電動公交車、實現低碳交通具有重要意義。