混合动力城市公交车节能环保效益分析与研究＊

李孟良 胡友波 艾 毅 李铁军 冯玉桥

（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）

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（PEMS）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（portable emission measure system，PEMS）［1－2］.

1.1 测试车辆

本试验测试的5类混合动力城市公交车都是在国III排放水平发动机的基础上研制.另外还提供1辆JNP6120G－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GB／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（OBS－2200 和 ELPI）以 及 能 耗 测 试 系 统（Flowtronic210油耗仪和 WT1600型数字电功计）获取车辆在该循环下污染物实时排放（HC，CO，NOx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

2 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（RESS）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RESS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GB／T 19754－2005中的公式和换算系数，即3.02kW·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RESS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RESS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1 城市公交车能耗对比

与常规柴油公交车相比，混合动力城市公交车辆平均百公里油耗都有不同程度的降低，而且不同车型混合动力城市公交车表现出来的节油效果不同.混合动力车辆发动机大部分时间都处在高效区域，工作区间较为稳定，其能耗水平低于常规车辆.混合动力车辆中HEV－C节油效果较为显著，主要得益于其采用了高效的储能装置，超级电容器的充放电效率很高，且具有较大的放电深度，一般在90%以上（而镍氢蓄电池通常只有70%左右），能够有效地吸收或释放瞬时大电量.

2.2 污染物排放

采用车载排放测试系统中OBS－2200和ELPI测试公交车尾气中HC，CO，NOx和PM的瞬时排放，经过数据处理后可以计算排出各污染物的总量，结合行驶里程可以测算出不同污染物的排放因子（g／km）.重复测试3次，取算术平均值.将排放测试结果进行处理后与常规柴油车进行对比.

NOx和PM作为柴油车主要污染物排放，存在折衷的关系.HEV－D和 HEV－E车辆NOx排放分别高出常规柴油车22.2%和65.3%，但其PM排放分别降低76.1%和55.2%.

3 车辆成本分析

3.1 混合动力成本与常规柴油车成本的比较

5类混合动力城市公交车和1辆常规纯柴油公交车在北京市121公交车队示范运行，时间从2008年7月截至12月，将混合动力与常规柴油车进行对比研究，分析混合动力的总成本增量.

混合动力城市公交车总成本增量包括车辆购置成本增量、故障成本增量和节油成本.

车辆购置成本增量是指每辆混合动力公交车的购买成本较常规柴油车高30万元.

故障成本增量将在3.2中进行分析.

节油成本指混合动力公交车较常规柴油车节省燃油的费用，按运行时期柴油市场价格6.23元／L计算.

混合动力公交车与常规柴油车在统一加油站使用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.人力工时成本＝人工维修故障工时数×人工小时费.

根据GB／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

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30min时间，而按此标准可计算各车型人工维修故障工时数.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

4 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.

式中：B为环保效益，mg／元或g／元；ΔP为混合动力排放削减量，g；ΔC为混合动力车辆购置成本较常规车增量，元；ΔCg为混合动力车辆故障成本较常规车增量，元；ΔCj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HC，CO，NOx和PM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

4.2 运行期间油耗和排放效益评价

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HEV－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2 529L，减少污染物排放81.83kg.HEV－C油耗削减量最大，累计节油达1 117L，占累计节油的44.2%；HEV－B排放削减量最多，减排达20 051g，占总污染物削减量的24.5%.

表5 油耗与排放削减量

不同车型污染物排放效益有所差异.HEV－B排放效益较好，较常规车辆多投入一元的成本，可削减66.87mg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

4.3 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500 000km.依据上述5.1～5.2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500 000km，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的成本，按照运行期间混合动力较常规柴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.

表7 生命周期内HEB油耗与排放削减量

通过计算分析，HEV－C混合动力公交车在行驶里程达到49.3万km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，HEV－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HEV－D比较HEV－B的减排效益有所下降，主要原因是由于HEV－D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

4.4 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.

图2 HEB成本增量与排放效益对比

随着车辆行驶里程数的增加，混合动力城市公交车的成本增量逐渐减少，HEV－C车辆下降的趋势最为显著，主要是由于其节油率率最大，随着行驶里程的增加，节油成本不断增加，导致最终的成本增量下降.

同时，随着行驶里程数的增加，混合动力公交车的污染物排放效益越来越好.HEV－C里程数达到46万km以后，其排放效益急剧升高，这是由于车辆达到较高的行驶里程数以后，节油成本越来越接近车辆购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来越小，导致排放效益急剧增加.

5 结 论

1）混合动力城市公交车具有良好的节能效果，与常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RESS有密切的联系.

2）重型柴油机在NOx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PM排放的效果较好，但其NOx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.

［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.

［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］国家标准局.GB／T19754－2005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］国家标准局.GB／T13043－2006客车定型试验规程［S］.北京：中国标准出版社，2006.