混合动力城市公交车节能环保效益分析与研究

1、第34卷第5期2010年10月武汉理工大学学报(交通科学与工程版J o u r n a l o f W u h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y (T r a n s p o r t a t i o n S c i e n c e &E n g i n e e r i n gV o l .34N o .5O c t .2010混合动力城市公交车节能环保效益分析与研究*收稿日期:2010-05-15李孟良(1964-:男,教授级高级工程师,主要研究领域为车辆排放和节能测试技术*国家863计划项目资助(批准号:2007A 11A

2、 131李孟良1胡友波2艾毅3李铁军3冯玉桥3(中国汽车技术研究中心1天津300162(武汉理工大学汽车工程学院2武汉430072(北京市环境保护局机动车排放管理处3北京100044摘要:通过对6类城市公交车(5种混合动力公交车和1种常规柴油公交车污染物排放(H C ,C O ,N O x 和P M 和能量消耗两个方面的性能进行测试,结合在北京市121公交线路中的实际运行成本分析,将混合动力城市公交车的排放、能耗以及运营过程中的成本与常规柴油车辆进行对比研究,分析混合动力公交车相对于同等级纯柴油公交车带来的节能环保效益.研究结果表明:混合动力城市公交车具有良好的节能环保效果,节能环保效益最好的

3、车型在生命周期内能够收回较常规柴油车辆多出的全部成本增量;在车辆生命周期内,5辆不同类型混合动力城市公交车累计可节省燃油14.05万L ,减少污染物的排放量达5.28t ;当节油率达到了26%,除了产生巨大环保效益外,在车辆生命周期内可以收回全部成本增量.关键词:混合动力城市公交车;节能环保;效益分析;故障成本分析中图法分类号:U 664.121D O I :10.3963/j.i s s n .1006-2823.2010.05.022在控制机动车排放方面的一个重要举措就是大力发展公共交通,积极发展低排放公交车.混合动力汽车技术的不断成熟,为低排放公交车发展提供了可选的方向.混合动力技术在公

4、交车上的应用越来越受到政府部门的关注,而对其节能环保效益分析仍然没有形成统一的评价体系.本文采用车载排放测试系统(P E M S 对6类城市公交车的能耗和排放进行测试,结合在北京市121公交线路的实际运营成本,通过混合动力与常规柴油公交车的比较对混合动力公交车节能环保效益进行评估,研究混合动力公交车较常规柴油公交车在节能减排方面的优势.1测试车辆及试验方案本试验设备采用中国汽车技术研究中心的车载排放测试系统(p o r t a b l e e m i s s i o n m e a s u r e s ys -t e m ,P E M S 1-2.1.1测试车辆本试验测试的5类混合动力城市公交

5、车都是在国I I I 排放水平发动机的基础上研制.另外还提供1辆J N P 6120G -1型常规柴油车作为混合动力公交车的对比车辆,各车辆主要技术参数见表1.1.2试验方案在北京交通部公路试验场地,对混合动力公交车的能耗和排放性能同时进行测试,测试大纲参照G B /T 19754-2005重型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法3.驾驶员根据车辆行驶工况跟踪系统对车速进行控制,复现和跟踪中国典型城市公交循环工况.利用车载排放测试系统(O B S -2200和E L P I 以及能耗测试系统(F l o w t r o n i c 210油耗仪和WT 1600型数字电功计获取车辆在该循环下污染物

6、实时排放(H C ,C O ,N O x 和PM 、燃油消耗以及电能消耗数据.在测试前,调试测试设备,按照目标工况进行一次预循环,待测试系统稳定后测试车辆的能耗与排放性能,实时存储数据.每辆车重复测试3次,最终结果取算术平均值.表1测试公交车辆主要技术参数H E V-AH E V-BH E V-CH E V-DH E V-E柴油车辆动力系统混合型式并联并联混联串联串联常规发动机型号D E U T ZI S B e15030I S B e18532I S D e16030I S D e16030I S B e22031排量/L4.043.95.94.54.55.9额定功率/k W11811013

7、6118118162电动机额定功率/k W406065100100蓄电池组类型/型号镍氢Q N F G60镍氢Q N F G60镍氢Q N F G60镍氢Q N F G60额定电压/V336336360360标称容量/(A·h40406060超级电容电容量/F41.25工作电压/V2603802数据处理及分析2.1能量消耗混合动力车辆采用内燃机和电动机作为混合动力源,其能耗构成包括发动机油耗和可再充式储能装置(R E S S的净能量消耗,本试验将混合动力的能耗测试分为发动机油耗测试和R E S S电量消耗测试两部分.重型混合动力电动汽车的实际油耗要考虑电量储能补偿的影响,相关文献给出

8、了电量储能对燃油消耗计算的修正.本节中修正油耗量的计算正是采用G B/T19754-2005中的公式和换算系数,即3.02k W·h的电能相当于1L燃油的能量.对镍氢电池组在测试循环中瞬时的电流值进行积分,结合电池组标称电压计算R E S S的净能量来修正百公里油耗;对于超级电容器,则根据测试循环前后电容电压的差值来计算R E S S的净能量并以此来修正百公里油耗4-5.将混合动力与常规柴油公交车辆能耗进行对比,见图1. 图城市公交车能耗对比使用0#柴油,无需另外增加公交加油站和停靠站等基础设施建设的投入.3.2车辆故障成本分析车辆故障成本包括人力工时成本和更换零部件成本.人力工时成

9、本=人工维修故障工时数×人工小时费.根据G B /T 13043-2006客车定型试验规程6中按照车辆发生故障的严重程度对示范运行的6辆公交车的故障跟踪记录和分类,并按规程中的当量系数换算成一般故障,如表2所列.表2公交车故障分类次车型轻微故障一般故障严重故障致命故障当量故障H E V -A 297044.8H E V -B 478048.6H E V -C 363022.2H E V -D 2142024.8H E V -E 1124032.4常规柴油车251010.8依据试验规程中对故障严重程度的规定,排除一般故障大约花费30m i n 时间,而按此标准可计算各车型人工维修故障工

10、时数.另外,人工小时费按每小时40元人民币进行计算,由此可得出各车型在示范运行期间的故障维修所耗费的工时成本.与混合动力公交车相比,常规柴油车的故障次数较少,故障总成本较低.由表3可以计算示范运行期间各混合动力城市公交车较常规柴油车多出的故障成本增量.表3运行期间公交车辆故障成本元车型更换部件成本工时成本故障总成本H E V -A 10408961936H E V -B 11209722092H E V -C 6504441094H E V -D 8404961336H E V -E 9906481638常规柴油车5202167364节能环保效益分析在分析不同车型油耗和排放削减的基础上,根据车

11、辆购置成本、故障成本和节油成本,分析混合动力城市公交车的节能环保效益.混合动力的节能效益用燃油节省量来评价;采用混合动力单位成本增量(与常规车辆相比的污染物排放削减量来分析环保效益,单位:g /元,也就是混合动力车辆较常规车辆多投入的单位成本所削减的污染物排放的质量,公式表示如下.B =P C +C g -C j(1式中:B 为环保效益,m g /元或g /元;P 为混合动力排放削减量,g;C 为混合动力车辆购置成本较常规车增量,元;C g 为混合动力车辆故障成本较常规车增量,元;C j 为混合动力节省燃油的成本,元.4.1油耗和排放削减率依据第3节中采用车载排放测试系统测得H C ,C O

12、,N O x 和P M 的排放与能耗数据,将混合动力城市公交车测试结果与参比常规车辆进行对比研究,分别计算各混合动力的排放削减率和油耗削减率,如表4所列.表4油耗与排放削减率车型百公里油耗削减率/%各污染物排放削减率/%H C C O N O xP M H E V -A 8.630.89-7.6920.374.48H E V -B 9.582.9340.1712.4534.33H E V -C 26.584.55-24.793.4871.64H E V -D 15.191.0644.44-22.2376.12H E V -E12.688.6220.51-65.3255.234.2运行期间油耗和

13、排放效益评价根据运行期间不同车型的行驶里程,结合油耗削减率和排放削减可计算各个混合动力城市公交车型的油耗和排放削减总量,如表5所列.不同车型的油耗和排放削减量差异性较大.只有H E V -B 混合动力公交车四种污染物的排放均有所减少,其他车型只能减少三种污染物的排放.运行期间,5辆混合动力车累计节省燃油2529L ,减少污染物排放81.83k g .H E V -C 油耗削减量最大,累计节油达1117L ,占累计节油的44.2%;H E V -B 排放削减量最多,减排达20051g ,占总污染物削减量的24.5%.表5油耗与排放削减量车型运行里程/k m油耗削减量/L各污染物排放削减量/gH

14、C C O N O x P M 合计H E V -A 60882022313-548153422117677H E V -B 6559242669030831010117720051H E V -C 10847111711281-3148466461316558H E V -D 839849494064367-2309550414277H E V -E 9660474105292318-7805342013268合计41552252940220976830107173681830·649·武汉理工大学学报(交通科学与工程版2010年第34卷不同车型污染物排放效益有所差异.H

15、 E V-B 排放效益较好,较常规车辆多投入一元的成本,可削减66.87m g的污染物排放量.根据式(1将表5中混合动力城市公交车污染物排放削减总量除以混合动力最终的成本增量,分析各车型的环保效益,如表6所列.表6排放效益车型各污染物排放效益/(m g·元-1H CC ON O x P M合计H E V-A7.71-1.8351.150.0758.93H E V-B22.3110.2833.690.5966.87H E V-C38.45-10.7215.902.0956.43H E V-D31.6114.68-77.621.6947.98H E V-E35.347.78-261.97

16、1.4144.534.3车辆生命周期内油耗与排放效益分析一般来说,公交车辆的生命周期为10a,行驶里程为500000k m.依据上述5.15.2运行期间油耗和排放效益的计算方法,结合车辆生命周期内行驶里程(假定混合动力城市公交车生命周期内行驶里程均能达到500000k m,可对生命周期内各车型的油耗和污染物排放效益进行评估,如表7所列.混合动力城市公交车具有良好的节能减排效果.在生命周期内,5辆公交车累计可节省燃油14.05万L,减少污染物的排放量达5.28t.假定混合动力城市公交车和常规柴油车的排放劣化一致,并且不考虑混合动力更换动力电池表7生命周期内H E B油耗与排放削减量车型油耗削减量

17、/L各污染物排放削减量/gH CC ON O x P M合计H E V-A16600190000-45000126000017651451765H E V-B18450510000235000770000135301528530H E V-C51500520000-14500021500028235763235H E V-D29400560000260000-137500030000850000H E V-E24550545000120000-404000021765686765合计14050023250006150002245000952955280295的成本,按照运行期间混合动力较常规柴

18、油车每公里多出的故障成本计算混合动力生命周期内的总故障成本增量.依据式(1分析不同车型的环保效益,如表8所列.通过计算分析,H E V-C混合动力公交车在行驶里程达到49.3万k m的时候,节省的燃油成本刚好可以抵消其较常规车多出的购置成本和故障成本增量,同时可以带来纯的减排效益.而其他车辆在生命周期内都不能收回其成本增量,较常规车辆多出的成本用来减少污染物的排放.在混合动力公交车生命周期内没有收回成本增量的情况下,H E V-D的排放效益最好,较常规柴油车多投入一元的成本能够产生减少5.57g污染物的环保效益.与H E V-D比较H E V-B的减排效益有所下降,主要原因是由于H E V-D

19、的节油率高,随着行驶里程的增加,节油成本较大,使得最终的排放效益增加.表8生命周期内混合动力环保效益车型各污染物排放效益(g·元-1H CC ON O x P M合计H E V-A0.64-0.644.270.0064.92 H E V-B1.770.812.670.055.30 H E V-D3.671.70-9.010.205.57 H E V-E2.810.62-20.850.113.544.4排放效益对比分析随着混合动力城市公交车行驶里程的增加,将其成本增量与污染物排放效益的变化分别进行比较,研究各自的变化趋势,如图2所示 .5结论1混合动力城市公交车具有良好的节能效果,与常

20、规柴油车相比平均节油率在14.5%左右.节油率最高达到26.5%.混合动力车辆节油率大小不仅与整车质量、车辆控制匹配等有关,而且与R E S S 有密切的联系.2重型柴油机在N O x 和PM 排放方面存在折衷的关系.由于控制策略的约束,混合动力公交的各种污染物排放增减趋势不同,发动机仍然没有达到预期的理想的工作区域,某些污染物排放存在增加的现象.部分车辆P M 排放的效果较好,但其N O x 排放的控制效果却较差.3与混合动力城市公交车相比,常规柴油公交车的故障次数较少,故障程度较轻,故障成本也较少.4与常规柴油车相比,混合动力城市公交车具有良好节能环保效果.在生命周期内,5辆混合动力车辆累

21、计可节省燃油14.05万L ,减少污染物的排放量达5.28t .而且当节油率达到了26%,除了产生巨大环保效益外,在车辆生命周期内可以收回全部成本增量.参考文献1陈燕涛.车辆道路排放测试技术的研究D .武汉:武汉理工大学汽车工程学院,2006.2J o h n s o n K ,D u r b i n T ,C o c k e r D ,e t a l .O n -r o a d e v a l u a t i o n o f a P E M S f o r m e a s u r i n g g a s e o u s i n -u s e e m i s s i o n s f r o m

22、 a h e a v y -d u t y d i e s e l v e h i c l e R .S A E W o r l d C o n g r e s s &E x h i b i t i o n :D e t r o i t ,M I ,2008.3国家标准局.G B /T 19754-2005重型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法S .北京:中国标准出版社,2005.4刘伏萍,李孟良.混合动力燃油经济性分析,中国电动车辆研究与开发R .北京:北京理工大学出版社,2005.5刘伏萍.混合动力车辆能量消耗和排放测试的研究D .武汉:武汉理工大学汽车工程学院,2006.6国家标

23、准局.G B /T 13043-2006客车定型试验规程S .北京:中国标准出版社,2006.A n a l y s i s a n d R e s e a r c h o f E n e r g y S a v i n g a n d E n v i r o n m e n t P r o t e c t i o n B e n e f i t o f H yb r i d T r a n s i t B u s e s L i M e n g l i a n g 1H u Y o u b o 2A i Y i 3L i T i e j u n 3F e n g Y u q i a o 3(

24、C h i n a A u t o m o t i v e T e c h n o l o g y &R e s e a r c h C e n t e r ,T i a n ji n 300162,C h i n a 1(S c h o o l o f A u t o m o b i l e E n g i n e e r i n g ,W u h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ,W u h a n 430072,C h i n a 2(M o t o r V e h i c l e E m i s s i o n M

25、 a n a g e m e n t O f f i c e o f B e i j i n g M u n i c i pa l E n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o n B u r e a u ,B e i j i n g 100044,C h i n a 3A b s t r a c t :T h e e m i s s i o n (H C 、C O 、N O x a n d P M a n d e n e r g y c o n s u m p t i o n p e r f o r m a n c e o f s i x t r a

26、 n s i t b u -s e s (f i v e h y b r id t r a n s i t b u se s a n d o n e d i e s e l b u s w e r e t e s t e d .C o m b i n e d w i t h t h e c o s t a n a l y s i s of t h e a c t u a l o p e r a t i o n i n B e i j i ng 121b u s l i n e s ,c o m p a r a t i v e l y r e s e a r ch e d t h e e mi

27、s s i o n a n d e n e r g yc o n s u m p -t i o n a nd t he o p e r a t i n g c o s t c o m p a r e d w i t h t h e c o n v e n t i o n a l d i e s e l t r a n s i t b u s ,a n d a n a l y s e d t h e e n e r g y s a v i n ga n d e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o nb e n e f i t o f t h e f i v e h y b r i d t r a n s i t b u s e s .T h e a n a l y s i s r e s u l t s s h o w t h a t ,h y b r i dc i t y b u s e s h a v e a g o odef f e c t o f e n e rg y s a v i n g a n d e n v i r o n m e n t a l p r o t