純電動(dòng)城市客車(chē)實(shí)際能耗及影響因素大數(shù)據(jù)分析

劉 鵬， 李 成， 崔丁松， 劉榮先， 張 鈺

(1.北京理工大學(xué)重慶創(chuàng)新中心， 重慶 401120； 2.交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院， 北京 100029；3.北京理工大學(xué)， 北京 100081)

截至2020年底，我國(guó)純電動(dòng)城市客車(chē)總量約38萬(wàn)輛，在城市客車(chē)總量中占比約54%。純電動(dòng)城市客車(chē)推廣應(yīng)用中車(chē)輛性能參差不齊等問(wèn)題較為突出，公交企業(yè)僅依靠車(chē)輛產(chǎn)品公告中的能耗等關(guān)鍵參數(shù)選購(gòu)車(chē)輛，經(jīng)常出現(xiàn)車(chē)輛投入使用后的實(shí)際表現(xiàn)與預(yù)期差異較大的現(xiàn)象。因此，迫切需要基于大量的實(shí)際運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，對(duì)純電動(dòng)城市客車(chē)的真實(shí)能耗及影響因素進(jìn)行分析，為公交企業(yè)選型購(gòu)車(chē)提供參考。

1 樣本數(shù)據(jù)與能耗計(jì)算方法

本分析的原始數(shù)據(jù)來(lái)源于新能源汽車(chē)國(guó)家監(jiān)測(cè)與管理平臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“平臺(tái)”)采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。該平臺(tái)數(shù)據(jù)的采集標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 32960.3—2016。截至2020年9月底，該平臺(tái)已接入31個(gè)省、118家廠(chǎng)商、2 347種新能源客車(chē)車(chē)型，車(chē)輛數(shù)達(dá)到29萬(wàn)輛，其中純電動(dòng)客車(chē)273 717輛。本次分析涉及的樣本數(shù)據(jù)車(chē)輛超過(guò)20萬(wàn)輛，覆蓋了宇通、中通、中車(chē)、福田歐輝、廈門(mén)金旅等主流純電動(dòng)城市客車(chē)品牌，數(shù)據(jù)采集期為2019年和2020年。

本文第2部分中的實(shí)際能耗值根據(jù)該平臺(tái)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的車(chē)輛行駛里程和充電量推算而來(lái)，百公里能耗計(jì)算方法見(jiàn)式(1)和式(2)，并利用3-方法剔除了異常數(shù)據(jù)。

(1)

式中：,是一種車(chē)型第輛車(chē)的第個(gè)SOC區(qū)間的百公里能耗,一種車(chē)型最大計(jì)算車(chē)輛數(shù)量為9 708輛，平均數(shù)量為127輛；表征不同起始SOC的充放電區(qū)間，例如SOC從50%至100%的充放電區(qū)間；、分別是統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)的充電次數(shù)和行駛次數(shù)；,是一種車(chē)型的第個(gè)SOC區(qū)間第次的充電能量；,是第個(gè)SOC區(qū)間第次的行駛距離。

(2)

式中：是一種車(chē)型共輛車(chē)的平均百公里能耗；是第輛車(chē)SOC的有效計(jì)算區(qū)間的頻數(shù)。

為體現(xiàn)不同時(shí)間段的車(chē)輛電耗的差異，本文引入百公里能耗標(biāo)準(zhǔn)差特征，計(jì)算公式見(jiàn)式(3)。

(3)

式中：百公里能耗標(biāo)準(zhǔn)差表征能耗在不同月份對(duì)均值的偏離程度；為一種車(chē)型在統(tǒng)計(jì)時(shí)間范圍內(nèi)的第月平均百公里能耗；為統(tǒng)計(jì)月份數(shù)，通常為12。

2 純電動(dòng)城市客車(chē)實(shí)際能耗影響因素分析

本節(jié)利用上節(jié)介紹的樣本數(shù)據(jù)和能耗計(jì)算方法來(lái)計(jì)算純電動(dòng)城市客車(chē)的百公里平均能耗，并分析其影響因素。

2.1 車(chē)輛質(zhì)量

能耗與車(chē)輛質(zhì)量成正相關(guān)關(guān)系。由于本文數(shù)據(jù)庫(kù)中無(wú)法獲取實(shí)時(shí)的車(chē)輛質(zhì)量數(shù)據(jù)，所以本文以對(duì)應(yīng)的車(chē)輛整備質(zhì)量來(lái)作為影響因素進(jìn)行分析。而車(chē)輛的整備質(zhì)量和車(chē)輛的長(zhǎng)度又有一定的正相關(guān)關(guān)系。根據(jù)平臺(tái)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到的車(chē)輛整備質(zhì)量和長(zhǎng)度關(guān)系如圖1所示。通過(guò)多項(xiàng)式擬合，兩個(gè)變量的關(guān)系為整備質(zhì)量=1 363.4 kg/m×車(chē)輛長(zhǎng)度-3 534.9 kg。參照全國(guó)新能源公交車(chē)比賽對(duì)不同車(chē)長(zhǎng)的分類(lèi)方法，并依據(jù)圖1擬合曲線(xiàn)對(duì)能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到：

1) 6 m段(6～8 m)，其整備質(zhì)量在3 040～6 600 kg范圍內(nèi)，平均能耗約為39.5 kW·h/100 km。其中能耗在20～30 kW·h/100 km內(nèi)的占比為16.4%，30～40 kW·h/100 km內(nèi)的占比為36.5%，40～50 kW·h/100 km內(nèi)的占比為24.4%，50 kW·h/100 km以上的占比為21.5%。

2) 8 m段(8～10 m)，其整備質(zhì)量在6 090～9 800 kg范圍內(nèi)，平均能耗約為51.3 kW·h/100 km。其中能耗在30～40 kW·h/100 km內(nèi)的占比為13.7%，40～50 kW·h/100 km內(nèi)的占比為38.0%，50～60 kW·h/100 km內(nèi)的占比為23.7%，60 kW·h/100 km以上的占比為23.6%。

3) 10 m段(10～11 m)，其整備質(zhì)量在8 800～13 350 kg范圍內(nèi)，平均能耗約為75.7 kW·h/100 km。其中能耗在50～60 kW·h/100 km內(nèi)的占比為18.6%，60～70 kW·h/100 km內(nèi)的占比為25.4%，70～80 kW·h/100 km內(nèi)的占比為21.2%，80 kW·h/100 km 以上的占比為23.6%。

4) 12 m段(11～12 m)，其整備質(zhì)量在10 200～16 700 kg范圍內(nèi)，平均能耗約為93.5 kW·h/100 km。其中能耗在60～70 kW·h/100 km內(nèi)的占比為13.9%，70～80 kW·h/100 km內(nèi)的占比為20.9%，80～90 kW·h/100 km內(nèi)的占比為21.1%，90～100 kW·h/100 km內(nèi)的占比為14.2%，100 kW·h/100 km以上的占比為25.0%。

圖1 不同車(chē)輛長(zhǎng)度與整備質(zhì)量關(guān)系圖

通過(guò)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，車(chē)輛長(zhǎng)度每增加 1 m，車(chē)輛整備質(zhì)量增加約1.5 t，車(chē)輛能耗平均增加約6.4 kW·h/100 km。由于車(chē)輛的整備質(zhì)量及長(zhǎng)度是靜態(tài)定參數(shù)，不隨時(shí)間發(fā)生變化，因此未計(jì)算。

2.2 交通擁堵程度

如圖2所示，6 m段(A車(chē)型)覆蓋170多個(gè)一線(xiàn)至五線(xiàn)的城市，其在一線(xiàn)城市的百公里能耗比五線(xiàn)城市的高出約13%；10 m段(B車(chē)型)覆蓋15個(gè)一線(xiàn)至五線(xiàn)的城市，一線(xiàn)城市的百公里能耗比五線(xiàn)城市的高出約17%。大型城市的城市客車(chē)載客量更多、道路擁堵更嚴(yán)重是導(dǎo)致其能耗更大的主要原因。由于每個(gè)月份的交通擁堵情況相差不大，因此未在該節(jié)計(jì)算。

圖2 交通擁堵程度對(duì)能耗的影響

2.3 氣候條件

1) 環(huán)境溫度因素。如圖3所示，4個(gè)米段的車(chē)型均在18 ℃前后時(shí)能耗最低，低溫和高溫時(shí)能耗明顯增加，且低溫對(duì)能耗的影響更大。圖中，為擬合曲線(xiàn)的擬合度，該數(shù)值介于0～1之間，越接近1代表曲線(xiàn)的擬合度越高。由于6 m段車(chē)輛在-20 ℃附近的采樣數(shù)據(jù)樣本較少，導(dǎo)致圖中出現(xiàn)了在低溫條件下百公里能耗先上升后下降的情況。能耗與環(huán)境溫度的關(guān)系與時(shí)間段無(wú)關(guān)，因此未計(jì)算。

(a) 6 m段某車(chē)型

2) 季節(jié)因素。圖4利用箱形圖描述了不同季節(jié)不同長(zhǎng)度車(chē)型的百公里能耗分布情況。圖中箱體長(zhǎng)度越長(zhǎng)說(shuō)明該車(chē)型不同車(chē)輛的百公里能耗差異性越大，車(chē)輛的季節(jié)適應(yīng)性越差，即能耗的穩(wěn)定性越差；矩形框中虛直線(xiàn)箱體為中位數(shù)，反映了在消除異常值后的百公里能耗的平均水平，該數(shù)值越大說(shuō)明該車(chē)型的整體能耗值較高。

圖4 各米段車(chē)輛不同季節(jié)的能耗分布及標(biāo)準(zhǔn)差

從圖中可以看出，夏冬兩季的百公里能耗中位數(shù)明顯高于春秋兩季；夏冬兩季百公里能耗的上限與下限差值也大于春秋兩季?？梢?jiàn)車(chē)輛在低溫、高溫環(huán)境下的百公里能耗分布更加離散。一方面可能是使用空調(diào)制冷或制熱導(dǎo)致了夏冬兩季能耗整體趨勢(shì)的上升，另一方面可能是動(dòng)力電池低溫性能較差。

不同長(zhǎng)度車(chē)輛的分別為9.7、12.4、18.9和24.1。盡管標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果不能直接反映車(chē)輛性能的好壞，但可以反映對(duì)環(huán)境季節(jié)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。6 m段的最小，表明其能耗的季節(jié)波動(dòng)性較低，環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)。隨著車(chē)輛長(zhǎng)度增加，不同季節(jié)間的能耗差異也更大，車(chē)輛能耗水平的穩(wěn)定性也越差。

3) 地域類(lèi)型因素。如圖5所示，以8 m段車(chē)輛為樣本，統(tǒng)計(jì)在不同地理區(qū)域百公里能耗分布情況，結(jié)果分布形態(tài)差別較大：夏季，華北和東北地區(qū)的車(chē)輛百公里能耗分布明顯低于華南和華東地區(qū)；冬季，東北地區(qū)的車(chē)輛百公里能耗分布明顯高于其他地區(qū)。原因在于冬季南北方溫度差異較大，低溫導(dǎo)致電池的活性降低增加了能耗。此外，用戶(hù)的空調(diào)制冷、暖風(fēng)等操作也增加了華南地區(qū)高溫條件下和東北地區(qū)低溫條件下的能耗。本節(jié)主要考慮相同時(shí)段內(nèi)不同地域類(lèi)型因素下能耗的差異性，因此未計(jì)算。

圖5 地域類(lèi)型因素對(duì)8 m段車(chē)輛的能耗影響

3 結(jié)束語(yǔ)

基于20余萬(wàn)輛純電動(dòng)城市客車(chē)的日常運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了純電動(dòng)城市客車(chē)能耗的實(shí)際水平和主要影響因素及其影響程度，有助于行業(yè)管理部門(mén)和公交企業(yè)客觀了解純電動(dòng)城市客車(chē)實(shí)際能耗水平，為其合理選購(gòu)車(chē)輛提供幫助。