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摘要：本文主要介绍了国内混合动力车的发展与应用状况，论述了混合动力电动汽车研究方向，介绍了城市混合动力公交车应用方案，重点是混合动力公交车推广模式与应用分析，最后对项目方案的可行性
进行了分析。
关键词：混合动力电动汽车；城市混合动力公交车；应用方案
【中图分类号】U469.72
1.混合动力车背景概述
世界各国都面临着严重的能源与环境问题，作为现代社会人们代步工具的汽车，是造成当前严重的环境问题和能源危机的罪魁祸首。然而随着社会的发展，人们对汽车的需求也日益增加，汽车保有量也急剧上升。在这需求增长与环境恶化的冲突背景下，人们不得不开始寻找可以解决两者之间矛盾的经济环保型汽车即新能源汽车。它主要包括电动汽车（纯电动汽车，混合动力电动汽车HEV（Hybrid-Electric Vehicle），燃料电池汽车和新燃料汽车（天然气汽车和生物燃料汽车））。它们与传统内燃机汽车的区别在于它们不仅具有良好的经济性，而且又能满足不断提高的排放法规对排放污染物的限值要求。从長远的发展趋势来看，纯电动汽车将是社会发展的理想交通工具，它具有零排放，噪声小，生产成本低以及能够回收行驶过程中的制动能量的特点，这是其他汽车无法匹敌的优势。由于当前技术发展的局限性，还没办法解决纯电动汽车中的一些关键问题—快速充电技术、续驶里程短、循环使用寿命小。
混合动力就是指汽车使用汽油驱动和电力驱动两种驱动方式，优点在于车辆启动和停止时，只靠发电机带动，不达到一定速度，发动机就不工作，因此，便能使发动机一直保持在最佳工况状态，动力性好，排放量很低，而且电能的来源都是发动机，只需加油即可。混合动力电动汽车不用像纯电动汽车那样需要建设大量的充电站，并且结合了纯电动汽车和内燃机汽车的各自优势，使其不仅具有良好的排放性能和经济性而且充分发挥了内燃机的优势-良好的动力性。能够弥补纯电动汽车当前无法克服的问题，因此 HEV 是当前最具有市场化和产业化前景的新能源汽车。
混合动力技术是国际上最先得到商业化和产业化的电动汽车产品技术，己经趋于成熟，相关标准也在不断的完善中。为加快缩小我国混合动力电动汽车与欧美发达国家的技术差距，增强我国在全球汽车工业的技术竞争力，为此，科技部在863计划当中将混合动力汽车的标准研究和制定立为专项课题，得到各个部门的重视和支持，取得了一定的成就，先后制定了混合动力汽车的标准6项，电动汽车公用的标准4项，初步形成对混合动力汽车的检测、评价能力。对于轻型混合动力电动汽车，目前的测试法规、标准基本上能够完整的给出测试规范。但对于重型混合动力汽车，由于很难沿用以前轻型车辆检测技术平台，在能耗和排放检测技术方面，对其进行测试评价还相对比较薄弱。传统重型车辆的能耗测试一般是对发动机进行台架测试，而对于轻型车辆主要是依靠道路测试来评价。由于台架试验和实际道路工况还存在一定的差别，而道路工况对重型混合动力汽车的能耗测试具有重要影响，同时传统台架试验没办法对制动能量进行回收，因此目前主要应用的是利用基于底盘测功机的测试方法，通过底盘测功机模拟实际道路工况行驶，可以模拟实现制动能量回收，合理正确地评价重型混合动力汽车的能耗。同时，也有一些在实际工况条件下，对汽车进行排放和能耗测试的研究。
2.国内混合动力车的发展与应用状况
国内混合动力技术的研究起步比较晚，技术不够成熟。近年来，经过企业以及各高校的大力研究，混合动力技术已经有了长足的进步，主要集中于混合动力客车的研究和生产。对于混合动力汽车驱动电机的使用，国内主要以永磁同步电机、交流感应电机和开关磁阻电机为主。例如南车时代的TEG6128SHEV串联式混合动力客车采用了自主生产的45 kW永磁同步电机，一汽并联混合动力公交车FAWCA6120选用了90kW的三相交流感应电机，武汉二汽的东风并联混合动力公交车XMQ6127GH1使用伊顿传动系统，驱动电机为永磁同步电机。郑州宇通的ZKS106PHEVGI混合动力客车驱动电机选用了44kW的三相交流感应电机。一汽的奔腾B70混合动力轿车的驱动电机选用了永磁同步电机，中通客车LCK6110GHEV串联混合动力公交车采用CNG发动机，驱动电机为交流感应电机。
2006年6月27日，上海大众公交西南公司92B线上投入运营上海首辆混合动力公交车，由大众交通（集团）股份有限公司与厦门金龙旅行车公司联合研制，比普通柴油车的发动机功率降低1/3，大大降低了汽车的燃油消耗，运行时能节省燃油30%以上。
1999年，清华大学与厦门金龙联合汽车工业有限公司合作研制成功国内第一辆混合动力轻型客车。2001年9月，科技部在“十五”“863”计划中，特别设立了电动汽车重大专项。自公开招标以来，各分类项目已由一汽集团、东风集团、上汽集团、中通客车、清华大学和同济大学等汽车企业和科研院校承担。
2003年11月，东风混合动力公交车走出实验室，6辆样车在武汉510路公交线路投放使用，与传统燃油公交车展开“插花”运营。2005年12月3日，国内首条混合动力公交专线—599绿色专线在武汉开通，投入了12辆油-电混合动力公交车。2006年4月9日，中通客车第一辆混合动力客车成功下线，受到国家主管部委领导、客车行业和社会各界的广泛关注和高度评价，并于2006年12月获得2项国家“十一五”“863”计划节能与新能源汽车重大专项。
北京市政府从2007年10月起先期投入10辆12米低地板混合动力城市客车开展示范运行，该示范工程是奥运会之前批量投放混合动力公交车运营的前奏，中通客车、郑州宇通、厦门金龙、东风电动及京华客车同时中标。
2008年12月，我国正式启动了“十城千辆”工程，开始节能与新能源汽车大规模商业化示范运行。“十城千辆”工程计划连续3年在10个以上有条件的大中城市开展千辆级混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车及能源供应基础设施的大规模示范。到2010年示范车辆将达到1万辆，2012年示范车辆总数超过3万辆，其中大中型混合动力车辆5000辆，混合动力出租车20000辆，其他电动汽车5000辆。 2009年2月5同，财政部发布《关于开展节能与新能源汽车示范推广试点工作的通知》，对北京、上海、重庆、长春、大连、杭州、济南、武汉、深圳、合肥、长沙、昆明、南昌等13个试点城市在公交、出租、公务、环卫和邮政等公共服务领域的新能源汽车进行补贴，并制定《节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办法》（后简称《办法》）对新能源汽车示范推广试点工作进行具体管理。同时，《办法》中提到地方财政将重点对相关配套设施建设及维护保养给予补助。《办法》中还指出根据车型最大电功率比和节油率，用于公共服务用的混合动力乘用车和轻型商用车将每辆得到不超过5万元的补贴，十米以上城市混合动力公交客车将得到每辆不超过42万元的补贴，从目前的混合动力车辆生产成本看，补贴能够覆盖车辆购置成本的50%-80%，对于减轻相关部门的购置成本具备一定的作用。目前，参加示范推广试点的城市已经达到了25个，但是实施效果则参差不齐。截至2011年底，各地新能源客车示范运营计划完成率在50%以上的城市只有北京、杭州、大连、厦门、广州、上海、合肥、济南等城市。2012年下半年，财政部、科技部、工信部、国家发展改革委联合下发通知，决定将混合动力公交客车（包括插电式混合动力客车）的推广范围从目前的25个节能与新能源汽车示范推广城市扩大到全国所有城市。
2012年5月15日，全国首例电气混合动力公交车在成都上路。这是一种集纯电动和LNG（液化天然气）公交车优点为一体的新型公交车――插电式增程电动LNG空调车。简单而言，插电式增程电动LNG空调车就是电气混合动力的公交车，其排放量比传统CNG（压缩天然气）公交车下降了40%，同时在续航里程上又是纯电动公交车的两倍以上。据悉，首批20台插电式增程电动LNG空调车投入到成都公交星辰巴士有限公司99路及112路上线运行。
3.混合动力电动汽车研究方向
混合动力电动汽车的应用仍还处于发展阶段，一些相关标准、法规有待完善。由于我国的道路工况与国外差别甚大，不能完全照搬国外的标准法规、评价方法。要对混合动力客车的经济性进行全面的评价，首先看其影响因素。影响城市公交工况条件下混合动力电动汽车的应用主要有以下几点：
3.1实际道路行驶工况特性对混合动力车应用影响分析
在评价汽车经济性指标的时候我们通常有百公里油耗及工况循环行驶百公里油耗，同一辆车在不同的道路工况下行驶，其油耗量也是相差甚大的。对于并联式混合动力客车，道路工况不同，其能量管理控制策略也相应的不同，在能量管理系统中，研发人员依据实际道路工况条件设定控制策略，即使同为HEV，在不同的道路工况下，燃油经济性也是差异很大，可以说道路工况对HEV的影响是最大的。
3.2HEV的混合度对性能影响分析
能量管理系统的优劣，在城市公交工况条件恶劣的情况下，如何协调串联式混合动力客车发动机和蓄电池的稳定工作非常重要，在不同的工况条件下，系统能够自动选择合适的提供功率的方式，使得整车具有较高的能量转换效率。这个也是混合动力电动汽车研发的关键指标，影响到整车的经济性及排放性能。
3.3蓄电池性能提升方法研究
目前应用在电动汽车上的主要有铿离子电池、镍氢电池、铅酸电池，不同种类的电池其容量、能量密度、功率密度、循环寿命、充放电特性、成本价格等都不尽相同。可以说铿电池是这些电池当中性能最佳的一种，它功率密度、能量密度最高，充放电速度最快，循环使用寿命最长，它将是今后车用电池发展的主要研究方向，但是其价格却比其它种类的电池高了很多。被称为“绿色电池”的镍氢电池同样也具有优良的性能，不存在重金属污染问题，而价格也相对合理，经实践证明，它是比较适合混合动力汽车的工作模式的。电池的这些性能对混合动力客车的经济性、动力性都具有很大的影響作用。
3.4制动能量的回收方法研究
制动能量的回收量同样对汽车燃油经济性有一定的影响，当汽车制动时，在保证汽车制动安全的条件下，通过控制电机反馈的制动力的比例来提高回收制动能，而一小部分的制动力通过传统摩擦制动来控制。此外，汽车的总质量、气候环境等也对汽车的经济性有一定的影响。
3.5混合动力车能耗测试方法研究
在对混合动力电动汽车的能耗测试中（不可外接充电），评价其能耗的优劣，不能像传统燃料汽车那样简单的由实际消耗燃油来判定，评价其经济性的两个因素：能量存储装置中电池荷电状态（SOC，State of charge）的变化量和汽车油箱油量的变化量，对于如何测量混合动力电动汽车的油耗经济性，GB/T19754《重型混合动力电动汽车能量消耗量测试方法》给出了相应的计算方法，分别计算出燃油消耗量和电量消耗量，把电量变化值转化为当量燃油，从而进行综合评价。
4.城市混合动力公交车应用方案
4.1选择混合动力汽车试验路线
针对南京市城市道路交通特征，综合考虑各种道路在试验路线中所占比例，以及在试验路线中客流量大小，交叉路口密集程度，客流高峰期时流量变化程度，车辆拥挤度。总之，选择一条能够确切反映南京城市道路交通工况的线路。研究表明，在不同的城市道路等级上，具有不同车流量以及相应的车辆平均速度，因此所对应的车辆行驶工况也不尽相同；即使在同一个等级的城市道路，不同的交通强度也具有不同的行驶工况，如若交通流、交通延误状况也相同，但其行驶工况也受到交叉路口的密集度的影响。因此在道路试验路线的选择上，我们应该选择一条能全面反映城市道路行驶工况的路线。以南京11路公交路线为例，假设在此公交路线上推广混合动力车，推导其运行参数，论证过程方案可行性。11路线路长度16公里，始发金盛百货迈皋桥，终于龙江新城市广场，途径站点金盛百货迈皋桥、土岗、墨香路北站、万寿村、合作村、小营村、墨香路、经五立交、樱驼花园、樱花路、蒋王庙、樱驼村、省经干院、板仓村、岗子村、太平门、北京东路、鸡鸣寺、（北极会堂）（保泰街）、鼓楼公园、云南路、玉泉路、江苏省委、草场门、草场门桥、（龙江小区）、龙江新城市广场。 4.3制定混合动力公交车营运方式
拟在11路公交路线上采用与传统车辆共同运营的方式，通过比较示范运营，探索适合混合动力公交车的运营方式。目前已通过大量的运营试验，得到传统燃油公交车在11线路中平均百公里燃油消耗量在34.7L。
混合动力公交车辆是在11路复杂的城市道路工况条件下运营，这也是影响车辆燃油经济性的一个重要因素，其燃油能耗按最低标准计算。
通过11路公交路线试运营，以百公里油耗评价汽车经济性指标。但同一辆车在不同的道路工况下行驶，其油耗量也是相差甚大的。对于并联式混合动力客车，道路工况不同，其能量管理控制策略也相应的不同。因此，在能量管理系统中，依据实际道路工况条件设定控制策略。即使同为HEV，在不同的道路工况下，燃油经济性也是差异很大，道路工况对HEV的影响是最大。在这种情况下，取混合动力公交车特性的各标准值。
4.4混合动力汽车测试目标与控制策略
根据南京城市公交的需求分析混合动力车应用需求，如频繁起步和停车、发动机长时间处于怠速工况、低速重载、持续运行等特点，提出适用于城市公交的混合动力汽车运行测试与评价方法。
汽车混合动力系统有各种各样的结构形式，因此应有不同的功率流控制策略来控制功率流动方向。控制策略是为了满足不同混合动力汽车的目标要求。功率流控制应满足的性能目标有：（1）最大燃油经济性（maximum fuel economy）；（2）最小排放（minimum exhaust）；（3）最小系统成本（minimum cost）；（4）优良的驾驶性能（good driving performance）
影响混合动力汽车性能的因素很多，其功率控制策略应考虑关键因素有：（1）最佳发动机工作点—它基于最佳油耗、最低排放或者二者的折中得到的发动机转矩—速度平面上的一个发动机最佳工作点；（2）最佳发动机工作线—在运行过程中汽车对发动机有不同的功率需求，不同转速下的相应的最佳工作点组成最佳工作线；（3）最佳发动机工作区—发动机工作点在发动机特性图中有一个最佳工作区域，在该区域发动机的燃油效率能保持在最优；（4）最小发动机动特性—尽量避免任何发动机速度的快速波动；（5）最低发动机转速—当发动机工作在低转速时，燃油消耗效率也较低。当发动机速度低于设定的转速阈值时应关闭发动机；（6）最小发动机 turn-on 时间—发动机不应该频繁地启动和关闭，否则将导致额外的燃油消耗和排放增加。必须设定最小的 turn-on/off 时间避免这种缺点；（7）合适的电池电量—电池的电量必须保持在合适的水平，这样当汽车加速时能提供足够的驱动功率，当制动或下坡时能接受制动回收能量。当电池电量太低时，发动机能提供更多的功率输出为电池充电；（8）相对的能量分配—在驾驶循环中电动机和电池的功率要按比例合理分配。
4.5混合动力汽车性能测试与评价
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/T19754-2005《重型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法》。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11路公交循环工况。利用车载排放测试系统以及能耗测试系统油耗仪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。
（1）能耗评价方法——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，本应用方案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，本项目方案修正油耗量的计算正是采用GB/T19754-2005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。对于超级电容器，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。将混合动力与常规柴油公交车辆能耗进行对比。（2）污染物排放评价方法——采用车载排放测试系统测试公交车尾气中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。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。
4.6混合动力公交车节能环保效益分析
在分析不同车型油耗和排放削減的基础上，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，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。
（1）油耗和排放削减率——依据项目前面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。（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。（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8年，行驶里程为5万km。依据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5万km，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。（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。 5.混合动力公交车推广模式与应用分析
5.1环保效益
5.2节油效益
节油效益即为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7.28元/升计算。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。
5.3车辆成本分析
将混合动力与常规柴油车成本进行对比分析，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。
5.3.1购置成本分析
车辆购置成本增量是指每辆混合动力公交车的购买成本，经调研，较常规柴油车高30万元。
5.3.2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/T13043-2006《客车定型试验规程》中按照车辆发生故障的严重程度对示范应用的10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。
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60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。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。
6.项目方案可行性分析
混合动力公交车作为公共交通工具的创新形式，在国内外均有不同程度的应用，但是由于动力电池及电源管理技术的局限性，实践中仍存在着不少问题。结合目前的能源结构、政策环境等因素，对本研究项目的技术方案的可行性以及存在的风险进行如下论述。
6.1本项目研究方案具有科学性、适用性
混合动力电动车拥有的特点是混合动力电动汽车具备了良好的动力性能、良好的燃油经济性、清洁环保、经济实用，但为了达到提高车辆的动力性、经济性和环保性，就需要采用当代最先进的内燃机技术深入分析低油耗特性；选择比功率、比能量和效率最高、扭矩密度最大的电机，研究它的低速大转矩、效率和再生制动能量回馈性能；经过周密分析和试验研究特性，最佳选择各自高性能区段的组合与叠加。另一方面，混合动力汽车成本过高绝对是目前混合动力电动汽车推广应用的主要难点，这是因为混合动力汽车除了以往的动力装置外，至少还必须安装电池，其成本不可能降至普通汽车的水准。因此，混合动力汽车技术发展的首要難题是降低成本，这也是今后有待解决的最大课题，特别是必须降低动力电池、电机驱动系统、电子控制系统等的成本。提高汽车行驶过程中的能量再生利用效率，就必须从汽车制造阶段着手，设计改进汽车动力系统，满足汽车再生制动回收要求，加强混合动力电动汽车的可靠性，解决动力电池的使用寿命和可靠性问题，是混合动力电动汽车推广应用的前提。在国际能源紧缺的背景下，混合动力可以很好地节省汽车行进过程中减速、下坡过程的能量消耗，同时其排量低、污染小，是未来汽车发展的必然趋势。
6.2本项目研究方案符合动力公交车的政策环境
（1）国家政策环境：第一，政府对电动汽车发展的支持。2011年1月，由工信部牵头制定的《节能与新能源汽车产业规划》已基本完成，《规划》显示，未来国家将继续执行相关补贴政策，同时加强与新能源汽车相关的城市基础设施建设力度，未来10年政府财政投入1000亿元，打造新能源汽车的产业链。第二，江苏省大力推广新能源汽车。省政府常务会议已通过指导意见，3年内3000辆新能源汽车将在南京、苏州、南通陆续上路，各地正加紧研究实施细则。按照规划，2012-2014年，新能源汽车在南京、苏州、南通试点；2013年-2015年，扩大到无锡、常州、盐城、扬州、镇江等地。率先试点的3个城市，各自推广应用1000辆以上新能源汽车，其中纯电动汽车须超过50%。考虑到售价较高，中央和省市将给予补贴，预计占售价的1/2。
（2）社会文化环境：当今社会，节能减排、低碳生活、保护环境、发展清洁能源已经成为全人类的共识。据有关环保部门调查显示，2010 年汽车尾气排放占到所有空气污染源的64%。面对日益恶化的环境，人们迫切希望能够有效地减少汽车尾气对环境的污染，实现人类社会的可持续发展。在这样的社会文化环境下，贴有“绿色”和“环保”标志的产品层出不穷，并越来越受到人们的青睐。如绿色食品、绿色家电、环保建材等。混合动力汽车产品作为环保产品的一种，它的发展正符合先进的社会文化价值取向，因此，也会被越来越多的消费者认同。公交车作为大众出行工具，本身就是低碳生活的首选出行方式，再加上混合动力公交车的低排放优势，必将得到广大市民的认同。
6.3项目研究及推广存在的风险
新能源车投资比较大，维护成本高，加上技术上还有一些瓶颈需要突破，因此，规模化推广需要循序渐进。后期推广需结合技术的发展、新能源政策的影响以及经济投入产出比逐步推进。
混合动力车的应用需要根据不同城市、不同路段、不同交通特性定制适当的解决方案。新能源公交车购置费用比较高，一辆电动公交车购置费用就高达数百万元，使用5年后需要投入数十万元更换电池。
混合动力车的大范围推广需要混合动力技术贮备完成之后才能实施，特别是汽车动力性能的提升，需要达到技术成熟阶段。提高汽车行驶过程中的能量再生利用效率，从汽车制造阶段着手，设计改进汽车动力系统，满足汽车再生制动回收要求，加强混合动力电动汽车的可靠性，解决动力电池的使用寿命和可靠性问题，是混合动力电动汽车推广应用的前提。
备注：本课题依托于南京市科技计划项目（科技青奥专项），以南京公交工况为立足点，研究适用于城市公交的混合动力汽车关键技术，在相关路线上进行试运行并测试，获取环保、节能、车辆成本相关数据以及混合动力公交车的适用方法，以便更好、更确切地评价混合动力公交车辆的应用模式与规模，从而推进混合动力车为南京青奥服务，为混合动力车辆更大规模应用于城市公交领域提供参考意见。
进行了分析。
关键词：混合动力电动汽车；城市混合动力公交车；应用方案
【中图分类号】U469.72
1.混合动力车背景概述
世界各国都面临着严重的能源与环境问题，作为现代社会人们代步工具的汽车，是造成当前严重的环境问题和能源危机的罪魁祸首。然而随着社会的发展，人们对汽车的需求也日益增加，汽车保有量也急剧上升。在这需求增长与环境恶化的冲突背景下，人们不得不开始寻找可以解决两者之间矛盾的经济环保型汽车即新能源汽车。它主要包括电动汽车（纯电动汽车，混合动力电动汽车HEV（Hybrid-Electric Vehicle），燃料电池汽车和新燃料汽车（天然气汽车和生物燃料汽车））。它们与传统内燃机汽车的区别在于它们不仅具有良好的经济性，而且又能满足不断提高的排放法规对排放污染物的限值要求。从長远的发展趋势来看，纯电动汽车将是社会发展的理想交通工具，它具有零排放，噪声小，生产成本低以及能够回收行驶过程中的制动能量的特点，这是其他汽车无法匹敌的优势。由于当前技术发展的局限性，还没办法解决纯电动汽车中的一些关键问题—快速充电技术、续驶里程短、循环使用寿命小。
混合动力就是指汽车使用汽油驱动和电力驱动两种驱动方式，优点在于车辆启动和停止时，只靠发电机带动，不达到一定速度，发动机就不工作，因此，便能使发动机一直保持在最佳工况状态，动力性好，排放量很低，而且电能的来源都是发动机，只需加油即可。混合动力电动汽车不用像纯电动汽车那样需要建设大量的充电站，并且结合了纯电动汽车和内燃机汽车的各自优势，使其不仅具有良好的排放性能和经济性而且充分发挥了内燃机的优势-良好的动力性。能够弥补纯电动汽车当前无法克服的问题，因此 HEV 是当前最具有市场化和产业化前景的新能源汽车。
混合动力技术是国际上最先得到商业化和产业化的电动汽车产品技术，己经趋于成熟，相关标准也在不断的完善中。为加快缩小我国混合动力电动汽车与欧美发达国家的技术差距，增强我国在全球汽车工业的技术竞争力，为此，科技部在863计划当中将混合动力汽车的标准研究和制定立为专项课题，得到各个部门的重视和支持，取得了一定的成就，先后制定了混合动力汽车的标准6项，电动汽车公用的标准4项，初步形成对混合动力汽车的检测、评价能力。对于轻型混合动力电动汽车，目前的测试法规、标准基本上能够完整的给出测试规范。但对于重型混合动力汽车，由于很难沿用以前轻型车辆检测技术平台，在能耗和排放检测技术方面，对其进行测试评价还相对比较薄弱。传统重型车辆的能耗测试一般是对发动机进行台架测试，而对于轻型车辆主要是依靠道路测试来评价。由于台架试验和实际道路工况还存在一定的差别，而道路工况对重型混合动力汽车的能耗测试具有重要影响，同时传统台架试验没办法对制动能量进行回收，因此目前主要应用的是利用基于底盘测功机的测试方法，通过底盘测功机模拟实际道路工况行驶，可以模拟实现制动能量回收，合理正确地评价重型混合动力汽车的能耗。同时，也有一些在实际工况条件下，对汽车进行排放和能耗测试的研究。
2.国内混合动力车的发展与应用状况
国内混合动力技术的研究起步比较晚，技术不够成熟。近年来，经过企业以及各高校的大力研究，混合动力技术已经有了长足的进步，主要集中于混合动力客车的研究和生产。对于混合动力汽车驱动电机的使用，国内主要以永磁同步电机、交流感应电机和开关磁阻电机为主。例如南车时代的TEG6128SHEV串联式混合动力客车采用了自主生产的45 kW永磁同步电机，一汽并联混合动力公交车FAWCA6120选用了90kW的三相交流感应电机，武汉二汽的东风并联混合动力公交车XMQ6127GH1使用伊顿传动系统，驱动电机为永磁同步电机。郑州宇通的ZKS106PHEVGI混合动力客车驱动电机选用了44kW的三相交流感应电机。一汽的奔腾B70混合动力轿车的驱动电机选用了永磁同步电机，中通客车LCK6110GHEV串联混合动力公交车采用CNG发动机，驱动电机为交流感应电机。
2006年6月27日，上海大众公交西南公司92B线上投入运营上海首辆混合动力公交车，由大众交通（集团）股份有限公司与厦门金龙旅行车公司联合研制，比普通柴油车的发动机功率降低1/3，大大降低了汽车的燃油消耗，运行时能节省燃油30%以上。
1999年，清华大学与厦门金龙联合汽车工业有限公司合作研制成功国内第一辆混合动力轻型客车。2001年9月，科技部在“十五”“863”计划中，特别设立了电动汽车重大专项。自公开招标以来，各分类项目已由一汽集团、东风集团、上汽集团、中通客车、清华大学和同济大学等汽车企业和科研院校承担。
2003年11月，东风混合动力公交车走出实验室，6辆样车在武汉510路公交线路投放使用，与传统燃油公交车展开“插花”运营。2005年12月3日，国内首条混合动力公交专线—599绿色专线在武汉开通，投入了12辆油-电混合动力公交车。2006年4月9日，中通客车第一辆混合动力客车成功下线，受到国家主管部委领导、客车行业和社会各界的广泛关注和高度评价，并于2006年12月获得2项国家“十一五”“863”计划节能与新能源汽车重大专项。
北京市政府从2007年10月起先期投入10辆12米低地板混合动力城市客车开展示范运行，该示范工程是奥运会之前批量投放混合动力公交车运营的前奏，中通客车、郑州宇通、厦门金龙、东风电动及京华客车同时中标。
2008年12月，我国正式启动了“十城千辆”工程，开始节能与新能源汽车大规模商业化示范运行。“十城千辆”工程计划连续3年在10个以上有条件的大中城市开展千辆级混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车及能源供应基础设施的大规模示范。到2010年示范车辆将达到1万辆，2012年示范车辆总数超过3万辆，其中大中型混合动力车辆5000辆，混合动力出租车20000辆，其他电动汽车5000辆。 2009年2月5同，财政部发布《关于开展节能与新能源汽车示范推广试点工作的通知》，对北京、上海、重庆、长春、大连、杭州、济南、武汉、深圳、合肥、长沙、昆明、南昌等13个试点城市在公交、出租、公务、环卫和邮政等公共服务领域的新能源汽车进行补贴，并制定《节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办法》（后简称《办法》）对新能源汽车示范推广试点工作进行具体管理。同时，《办法》中提到地方财政将重点对相关配套设施建设及维护保养给予补助。《办法》中还指出根据车型最大电功率比和节油率，用于公共服务用的混合动力乘用车和轻型商用车将每辆得到不超过5万元的补贴，十米以上城市混合动力公交客车将得到每辆不超过42万元的补贴，从目前的混合动力车辆生产成本看，补贴能够覆盖车辆购置成本的50%-80%，对于减轻相关部门的购置成本具备一定的作用。目前，参加示范推广试点的城市已经达到了25个，但是实施效果则参差不齐。截至2011年底，各地新能源客车示范运营计划完成率在50%以上的城市只有北京、杭州、大连、厦门、广州、上海、合肥、济南等城市。2012年下半年，财政部、科技部、工信部、国家发展改革委联合下发通知，决定将混合动力公交客车（包括插电式混合动力客车）的推广范围从目前的25个节能与新能源汽车示范推广城市扩大到全国所有城市。
2012年5月15日，全国首例电气混合动力公交车在成都上路。这是一种集纯电动和LNG（液化天然气）公交车优点为一体的新型公交车――插电式增程电动LNG空调车。简单而言，插电式增程电动LNG空调车就是电气混合动力的公交车，其排放量比传统CNG（压缩天然气）公交车下降了40%，同时在续航里程上又是纯电动公交车的两倍以上。据悉，首批20台插电式增程电动LNG空调车投入到成都公交星辰巴士有限公司99路及112路上线运行。
3.混合动力电动汽车研究方向
混合动力电动汽车的应用仍还处于发展阶段，一些相关标准、法规有待完善。由于我国的道路工况与国外差别甚大，不能完全照搬国外的标准法规、评价方法。要对混合动力客车的经济性进行全面的评价，首先看其影响因素。影响城市公交工况条件下混合动力电动汽车的应用主要有以下几点：
3.1实际道路行驶工况特性对混合动力车应用影响分析
在评价汽车经济性指标的时候我们通常有百公里油耗及工况循环行驶百公里油耗，同一辆车在不同的道路工况下行驶，其油耗量也是相差甚大的。对于并联式混合动力客车，道路工况不同，其能量管理控制策略也相应的不同，在能量管理系统中，研发人员依据实际道路工况条件设定控制策略，即使同为HEV，在不同的道路工况下，燃油经济性也是差异很大，可以说道路工况对HEV的影响是最大的。
3.2HEV的混合度对性能影响分析
能量管理系统的优劣，在城市公交工况条件恶劣的情况下，如何协调串联式混合动力客车发动机和蓄电池的稳定工作非常重要，在不同的工况条件下，系统能够自动选择合适的提供功率的方式，使得整车具有较高的能量转换效率。这个也是混合动力电动汽车研发的关键指标，影响到整车的经济性及排放性能。
3.3蓄电池性能提升方法研究
目前应用在电动汽车上的主要有铿离子电池、镍氢电池、铅酸电池，不同种类的电池其容量、能量密度、功率密度、循环寿命、充放电特性、成本价格等都不尽相同。可以说铿电池是这些电池当中性能最佳的一种，它功率密度、能量密度最高，充放电速度最快，循环使用寿命最长，它将是今后车用电池发展的主要研究方向，但是其价格却比其它种类的电池高了很多。被称为“绿色电池”的镍氢电池同样也具有优良的性能，不存在重金属污染问题，而价格也相对合理，经实践证明，它是比较适合混合动力汽车的工作模式的。电池的这些性能对混合动力客车的经济性、动力性都具有很大的影響作用。
3.4制动能量的回收方法研究
制动能量的回收量同样对汽车燃油经济性有一定的影响，当汽车制动时，在保证汽车制动安全的条件下，通过控制电机反馈的制动力的比例来提高回收制动能，而一小部分的制动力通过传统摩擦制动来控制。此外，汽车的总质量、气候环境等也对汽车的经济性有一定的影响。
3.5混合动力车能耗测试方法研究
在对混合动力电动汽车的能耗测试中（不可外接充电），评价其能耗的优劣，不能像传统燃料汽车那样简单的由实际消耗燃油来判定，评价其经济性的两个因素：能量存储装置中电池荷电状态（SOC，State of charge）的变化量和汽车油箱油量的变化量，对于如何测量混合动力电动汽车的油耗经济性，GB/T19754《重型混合动力电动汽车能量消耗量测试方法》给出了相应的计算方法，分别计算出燃油消耗量和电量消耗量，把电量变化值转化为当量燃油，从而进行综合评价。
4.城市混合动力公交车应用方案
4.1选择混合动力汽车试验路线
针对南京市城市道路交通特征，综合考虑各种道路在试验路线中所占比例，以及在试验路线中客流量大小，交叉路口密集程度，客流高峰期时流量变化程度，车辆拥挤度。总之，选择一条能够确切反映南京城市道路交通工况的线路。研究表明，在不同的城市道路等级上，具有不同车流量以及相应的车辆平均速度，因此所对应的车辆行驶工况也不尽相同；即使在同一个等级的城市道路，不同的交通强度也具有不同的行驶工况，如若交通流、交通延误状况也相同，但其行驶工况也受到交叉路口的密集度的影响。因此在道路试验路线的选择上，我们应该选择一条能全面反映城市道路行驶工况的路线。以南京11路公交路线为例，假设在此公交路线上推广混合动力车，推导其运行参数，论证过程方案可行性。11路线路长度16公里，始发金盛百货迈皋桥，终于龙江新城市广场，途径站点金盛百货迈皋桥、土岗、墨香路北站、万寿村、合作村、小营村、墨香路、经五立交、樱驼花园、樱花路、蒋王庙、樱驼村、省经干院、板仓村、岗子村、太平门、北京东路、鸡鸣寺、（北极会堂）（保泰街）、鼓楼公园、云南路、玉泉路、江苏省委、草场门、草场门桥、（龙江小区）、龙江新城市广场。 4.3制定混合动力公交车营运方式
拟在11路公交路线上采用与传统车辆共同运营的方式，通过比较示范运营，探索适合混合动力公交车的运营方式。目前已通过大量的运营试验，得到传统燃油公交车在11线路中平均百公里燃油消耗量在34.7L。
混合动力公交车辆是在11路复杂的城市道路工况条件下运营，这也是影响车辆燃油经济性的一个重要因素，其燃油能耗按最低标准计算。
通过11路公交路线试运营，以百公里油耗评价汽车经济性指标。但同一辆车在不同的道路工况下行驶，其油耗量也是相差甚大的。对于并联式混合动力客车，道路工况不同，其能量管理控制策略也相应的不同。因此，在能量管理系统中，依据实际道路工况条件设定控制策略。即使同为HEV，在不同的道路工况下，燃油经济性也是差异很大，道路工况对HEV的影响是最大。在这种情况下，取混合动力公交车特性的各标准值。
4.4混合动力汽车测试目标与控制策略
根据南京城市公交的需求分析混合动力车应用需求，如频繁起步和停车、发动机长时间处于怠速工况、低速重载、持续运行等特点，提出适用于城市公交的混合动力汽车运行测试与评价方法。
汽车混合动力系统有各种各样的结构形式，因此应有不同的功率流控制策略来控制功率流动方向。控制策略是为了满足不同混合动力汽车的目标要求。功率流控制应满足的性能目标有：（1）最大燃油经济性（maximum fuel economy）；（2）最小排放（minimum exhaust）；（3）最小系统成本（minimum cost）；（4）优良的驾驶性能（good driving performance）
影响混合动力汽车性能的因素很多，其功率控制策略应考虑关键因素有：（1）最佳发动机工作点—它基于最佳油耗、最低排放或者二者的折中得到的发动机转矩—速度平面上的一个发动机最佳工作点；（2）最佳发动机工作线—在运行过程中汽车对发动机有不同的功率需求，不同转速下的相应的最佳工作点组成最佳工作线；（3）最佳发动机工作区—发动机工作点在发动机特性图中有一个最佳工作区域，在该区域发动机的燃油效率能保持在最优；（4）最小发动机动特性—尽量避免任何发动机速度的快速波动；（5）最低发动机转速—当发动机工作在低转速时，燃油消耗效率也较低。当发动机速度低于设定的转速阈值时应关闭发动机；（6）最小发动机 turn-on 时间—发动机不应该频繁地启动和关闭，否则将导致额外的燃油消耗和排放增加。必须设定最小的 turn-on/off 时间避免这种缺点；（7）合适的电池电量—电池的电量必须保持在合适的水平，这样当汽车加速时能提供足够的驱动功率，当制动或下坡时能接受制动回收能量。当电池电量太低时，发动机能提供更多的功率输出为电池充电；（8）相对的能量分配—在驾驶循环中电动机和电池的功率要按比例合理分配。
4.5混合动力汽车性能测试与评价
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/T19754-2005《重型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法》。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11路公交循环工况。利用车载排放测试系统以及能耗测试系统油耗仪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。
（1）能耗评价方法——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，本应用方案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，本项目方案修正油耗量的计算正是采用GB/T19754-2005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。对于超级电容器，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。将混合动力与常规柴油公交车辆能耗进行对比。（2）污染物排放评价方法——采用车载排放测试系统测试公交车尾气中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。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。
4.6混合动力公交车节能环保效益分析
在分析不同车型油耗和排放削減的基础上，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，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。
（1）油耗和排放削减率——依据项目前面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。（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。（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8年，行驶里程为5万km。依据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5万km，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。（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。 5.混合动力公交车推广模式与应用分析
5.1环保效益
5.2节油效益
节油效益即为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7.28元/升计算。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。
5.3车辆成本分析
将混合动力与常规柴油车成本进行对比分析，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。
5.3.1购置成本分析
车辆购置成本增量是指每辆混合动力公交车的购买成本，经调研，较常规柴油车高30万元。
5.3.2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/T13043-2006《客车定型试验规程》中按照车辆发生故障的严重程度对示范应用的10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。
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60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。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。
6.项目方案可行性分析
混合动力公交车作为公共交通工具的创新形式，在国内外均有不同程度的应用，但是由于动力电池及电源管理技术的局限性，实践中仍存在着不少问题。结合目前的能源结构、政策环境等因素，对本研究项目的技术方案的可行性以及存在的风险进行如下论述。
6.1本项目研究方案具有科学性、适用性
混合动力电动车拥有的特点是混合动力电动汽车具备了良好的动力性能、良好的燃油经济性、清洁环保、经济实用，但为了达到提高车辆的动力性、经济性和环保性，就需要采用当代最先进的内燃机技术深入分析低油耗特性；选择比功率、比能量和效率最高、扭矩密度最大的电机，研究它的低速大转矩、效率和再生制动能量回馈性能；经过周密分析和试验研究特性，最佳选择各自高性能区段的组合与叠加。另一方面，混合动力汽车成本过高绝对是目前混合动力电动汽车推广应用的主要难点，这是因为混合动力汽车除了以往的动力装置外，至少还必须安装电池，其成本不可能降至普通汽车的水准。因此，混合动力汽车技术发展的首要難题是降低成本，这也是今后有待解决的最大课题，特别是必须降低动力电池、电机驱动系统、电子控制系统等的成本。提高汽车行驶过程中的能量再生利用效率，就必须从汽车制造阶段着手，设计改进汽车动力系统，满足汽车再生制动回收要求，加强混合动力电动汽车的可靠性，解决动力电池的使用寿命和可靠性问题，是混合动力电动汽车推广应用的前提。在国际能源紧缺的背景下，混合动力可以很好地节省汽车行进过程中减速、下坡过程的能量消耗，同时其排量低、污染小，是未来汽车发展的必然趋势。
6.2本项目研究方案符合动力公交车的政策环境
（1）国家政策环境：第一，政府对电动汽车发展的支持。2011年1月，由工信部牵头制定的《节能与新能源汽车产业规划》已基本完成，《规划》显示，未来国家将继续执行相关补贴政策，同时加强与新能源汽车相关的城市基础设施建设力度，未来10年政府财政投入1000亿元，打造新能源汽车的产业链。第二，江苏省大力推广新能源汽车。省政府常务会议已通过指导意见，3年内3000辆新能源汽车将在南京、苏州、南通陆续上路，各地正加紧研究实施细则。按照规划，2012-2014年，新能源汽车在南京、苏州、南通试点；2013年-2015年，扩大到无锡、常州、盐城、扬州、镇江等地。率先试点的3个城市，各自推广应用1000辆以上新能源汽车，其中纯电动汽车须超过50%。考虑到售价较高，中央和省市将给予补贴，预计占售价的1/2。
（2）社会文化环境：当今社会，节能减排、低碳生活、保护环境、发展清洁能源已经成为全人类的共识。据有关环保部门调查显示，2010 年汽车尾气排放占到所有空气污染源的64%。面对日益恶化的环境，人们迫切希望能够有效地减少汽车尾气对环境的污染，实现人类社会的可持续发展。在这样的社会文化环境下，贴有“绿色”和“环保”标志的产品层出不穷，并越来越受到人们的青睐。如绿色食品、绿色家电、环保建材等。混合动力汽车产品作为环保产品的一种，它的发展正符合先进的社会文化价值取向，因此，也会被越来越多的消费者认同。公交车作为大众出行工具，本身就是低碳生活的首选出行方式，再加上混合动力公交车的低排放优势，必将得到广大市民的认同。
6.3项目研究及推广存在的风险
新能源车投资比较大，维护成本高，加上技术上还有一些瓶颈需要突破，因此，规模化推广需要循序渐进。后期推广需结合技术的发展、新能源政策的影响以及经济投入产出比逐步推进。
混合动力车的应用需要根据不同城市、不同路段、不同交通特性定制适当的解决方案。新能源公交车购置费用比较高，一辆电动公交车购置费用就高达数百万元，使用5年后需要投入数十万元更换电池。
混合动力车的大范围推广需要混合动力技术贮备完成之后才能实施，特别是汽车动力性能的提升，需要达到技术成熟阶段。提高汽车行驶过程中的能量再生利用效率，从汽车制造阶段着手，设计改进汽车动力系统，满足汽车再生制动回收要求，加强混合动力电动汽车的可靠性，解决动力电池的使用寿命和可靠性问题，是混合动力电动汽车推广应用的前提。
备注：本课题依托于南京市科技计划项目（科技青奥专项），以南京公交工况为立足点，研究适用于城市公交的混合动力汽车关键技术，在相关路线上进行试运行并测试，获取环保、节能、车辆成本相关数据以及混合动力公交车的适用方法，以便更好、更确切地评价混合动力公交车辆的应用模式与规模，从而推进混合动力车为南京青奥服务，为混合动力车辆更大规模应用于城市公交领域提供参考意见。