對(duì)美國(guó)的混合動(dòng)力公交車示范運(yùn)營(yíng)及其節(jié)能環(huán)保效應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，為混合動(dòng)力公交評(píng)價(jià)研究及我國(guó)混合動(dòng)力公交車示范運(yùn)營(yíng)提供參考。隨著重型混合動(dòng)力技術(shù)的不斷成熟及混合動(dòng)力公交車成本的不斷降低，混合動(dòng)力公交車必將實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，同時(shí)也將推動(dòng)混合動(dòng)力技術(shù)在轎車及其他車型上的運(yùn)用。

    城市公共交通擁擠，城市客車時(shí)走時(shí)停，行車速度慢，制動(dòng)及怠速時(shí)間長(zhǎng)。在這種情況下，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車油耗和排放都很差；而混合動(dòng)力電動(dòng)系統(tǒng)可以回收制動(dòng)能為動(dòng)力電池組充電，且能夠通過(guò)電機(jī)改善發(fā)動(dòng)機(jī)工況，使其工作在低油耗低排放的區(qū)域，從而可以達(dá)到節(jié)能和降低排放的效果。同時(shí)城市客車空間大，承載能力強(qiáng)，運(yùn)行速度低，對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的尺寸、重量及續(xù)駛里程要求遠(yuǎn)低于轎車和其它車型。現(xiàn)在，混合動(dòng)力技術(shù)已廣泛應(yīng)用于城市客車上，在許多國(guó)家及地區(qū)開(kāi)始了示范運(yùn)營(yíng)，并有部份車型已實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。

   項(xiàng)目背景
  

    為了建立先進(jìn)車輛技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化的橋梁，在美國(guó)能源部(Department Of Energy)自由轎車和車輛技術(shù)工程(Freedom CAR and Vehicle Technologies Program)的支持下，開(kāi)展了先進(jìn)車輛測(cè)試活動(dòng)Advanced Vehicle Testing Activity(AVTA)，旨在提供綜合的、不帶偏見(jiàn)的先進(jìn)車輛技術(shù)評(píng)價(jià)。

    先進(jìn)車輛測(cè)試活動(dòng)AVTA將收集與分析先進(jìn)技術(shù)車輛(壓縮天燃?xì)廛?、混合?dòng)力車、燃料電池車等)及相對(duì)比的常規(guī)車，在相同的測(cè)試線路上試運(yùn)行的維修、性能、安全、成本及排放特征數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)比先進(jìn)技術(shù)車輛及常規(guī)車，AVTA的評(píng)價(jià)將幫助公交公司做出有科學(xué)根據(jù)的購(gòu)買決定。其中，車隊(duì)的測(cè)試及評(píng)價(jià)Fleet Test & Evaluation項(xiàng)目組由國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室National Renewable Energy Laboratory(NREL)及Battelle人事處構(gòu)成，管理AVTA中重型車輛的評(píng)價(jià)。車隊(duì)的測(cè)試及評(píng)價(jià)項(xiàng)目組對(duì)幾家混合動(dòng)力公交公司的混合動(dòng)力車進(jìn)行評(píng)價(jià)。如表1為參入AVTA項(xiàng)目的混合動(dòng)力公交公司，表2為混合動(dòng)力公交車的基本情況。

    美國(guó)發(fā)展中重型混合動(dòng)力技術(shù)的公司有BAE SYSTEMS、Eaton、Ebus、GM-Allison、ISE Research以及Oshkosh等，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于民用及軍用當(dāng)中。目前，美國(guó)已經(jīng)有超過(guò)30個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)行著混合動(dòng)力公交車，令人滿意的試運(yùn)行結(jié)果也促使了多家公交公司大量購(gòu)買混合動(dòng)力公交車。

   紐約市公交公司(New York City Transit)
  

    紐約市公交公司NYCT是美國(guó)最大的公交公司，同時(shí)也是清潔公交技術(shù)應(yīng)用的先行者。1998年，NYCT向Orion公共汽車工業(yè)(戴姆勒-克萊斯勒北美商用公共汽車公司)訂購(gòu)10輛混合動(dòng)力城市客車OrionⅥ。Orion混合動(dòng)力公交車使用BAE SYSTEMS Hybrid DriveTM 串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)，如圖1所示。在這套混合動(dòng)力系統(tǒng)中，選擇一個(gè)相對(duì)較小的柴油機(jī)，并將其控制運(yùn)行在最低油耗工況區(qū)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能供給電機(jī)或動(dòng)力電池組。電機(jī)將驅(qū)動(dòng)車輛行駛，當(dāng)制動(dòng)時(shí)以發(fā)電機(jī)狀態(tài)回收制動(dòng)能量并將其儲(chǔ)存到動(dòng)力電池組中。當(dāng)車輛加速和爬坡時(shí)，動(dòng)力電池組將提供額外的能量。驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)將管理整個(gè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)燃油經(jīng)濟(jì)性及排放最優(yōu)。

    AVTA測(cè)試與評(píng)估項(xiàng)目組于2000年7月開(kāi)始對(duì)在同一路線上運(yùn)行的Orion Ⅵ混合動(dòng)力公交車及NovaBUS RTS常規(guī)柴油公交車的使用進(jìn)行為期一年的評(píng)估工作。評(píng)估結(jié)果如下：

    在整個(gè)道路測(cè)試評(píng)估過(guò)程中，混合動(dòng)力公交車的每英里的燃油消耗量(Gallons Per Mile)比常規(guī)車低10%。對(duì)兩種類型的公交車在轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行排放對(duì)比測(cè)試，在中央商業(yè)區(qū)工況不帶制動(dòng)能量再生系統(tǒng)的混合動(dòng)力公交車可以節(jié)約大約6%的燃油，帶制動(dòng)能量再生系統(tǒng)的混合動(dòng)力公交車23%的燃油；在紐約公交工況混合動(dòng)力公交車可以節(jié)約64%的燃油；在曼哈頓工況混合動(dòng)力公交車可以節(jié)約48%的燃油。在中央商業(yè)區(qū)工況，通過(guò)使用制動(dòng)能量回收技術(shù)可以節(jié)約15%的燃油，同時(shí)也意味著減少了15%的燃油燃燒產(chǎn)生的尾氣排放，制動(dòng)能量再生系統(tǒng)是混合動(dòng)力公交車節(jié)能減排的重要方式。

    混合動(dòng)力公交車的維修保養(yǎng)費(fèi)比常規(guī)公交車高76%~150%。將維修保養(yǎng)費(fèi)分成六大部份：整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及與燃料相關(guān)的系統(tǒng)(包括排氣系統(tǒng)，燃油系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，電機(jī)、發(fā)電機(jī)和電池，非照明電系統(tǒng)，進(jìn)氣系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)，傳動(dòng)系統(tǒng))；駕駛室、車身和附件；制動(dòng)系統(tǒng)；HVAC系統(tǒng)(加熱，通風(fēng)和空調(diào))；PMA(定期檢查)及其它維修保養(yǎng)(轉(zhuǎn)化系統(tǒng)、懸架等)。如圖2為不同系統(tǒng)的維修保養(yǎng)費(fèi)份額。

    由圖2，駕駛室、車身和附件、整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及與燃料相關(guān)的系統(tǒng)的維修保養(yǎng)費(fèi)份額超過(guò)50%。因混合動(dòng)力車對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行較大改動(dòng)，導(dǎo)致混合動(dòng)力車的整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及與燃料相關(guān)的系統(tǒng)的維修保養(yǎng)費(fèi)份額比常規(guī)車高15%。其中，混合動(dòng)力車的電機(jī)、電池維修費(fèi)用占總維修費(fèi)用的5.5%(因電池在試運(yùn)行一年內(nèi)不需更換，如更換則該系統(tǒng)維修費(fèi)將更高)?；旌蟿?dòng)力車制動(dòng)器維修費(fèi)比常規(guī)車低27.3%。因混合動(dòng)力車通過(guò)使用再生制動(dòng)能量回收可以有效地增加了制動(dòng)器的壽命，減少了其維修費(fèi)用。在試運(yùn)行階段，混合動(dòng)力車各系統(tǒng)的維修費(fèi)用(除制動(dòng)系統(tǒng))均高于常規(guī)車。

    通過(guò)對(duì)兩種型式的公交車運(yùn)行成本(包括燃油費(fèi)及維修保養(yǎng)費(fèi))對(duì)比發(fā)現(xiàn)混合動(dòng)力車的運(yùn)行成本比常規(guī)車高46%~92%。同時(shí)該混合動(dòng)力車的售價(jià)比常規(guī)車高60%，這意味著混合動(dòng)力公交車的購(gòu)買及運(yùn)行都必須通過(guò)政府的支持，才能得以進(jìn)行。就目前來(lái)看，混合動(dòng)力公交車示范運(yùn)行成本將比常規(guī)公交車高許多，且隨著運(yùn)行時(shí)間的加長(zhǎng)，成本差距將更大。但是隨著混合動(dòng)力公交車產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的不斷變大，購(gòu)買成本及維修保養(yǎng)成本也必將下降。

    西弗吉尼亞大學(xué)對(duì)兩種型式的公交車在重型轉(zhuǎn)鼓上進(jìn)行指定工況下的排放測(cè)試表明，混合動(dòng)力車具有很好的節(jié)能環(huán)保性能，如表3所示。表3中，中央商業(yè)區(qū)工況Central Business District(CBD)是SAE-J1376推薦用來(lái)評(píng)價(jià)重型車排放特性；紐約公交工況The New York Bus Cycle(NY Bus)是通過(guò)對(duì)紐約市重型車(卡車及公交車)的工況數(shù)據(jù)收集整理分析得到的典型工況；曼哈頓工況Manhattan Cycle是對(duì)近期的曼哈頓地區(qū)的公交車運(yùn)行工況數(shù)據(jù)發(fā)展得到的，它將非常適合評(píng)估NYCT的公交車的油耗及排放特性。該常規(guī)車沒(méi)有帶微粒捕集器?；旌蟿?dòng)力車通過(guò)使用混合動(dòng)力技術(shù)及微粒捕集器將明顯地減少了污染物排放。混合動(dòng)力車運(yùn)行了曼哈頓工況上，相比常規(guī)車能減少98%以上的CO及PM排放、44%的NOx排放及30%左右的HC及CO2排放。

    考慮到該混合動(dòng)力技術(shù)成熟且節(jié)能環(huán)保性能優(yōu)良，NYCT 開(kāi)始大量訂購(gòu)新一代的OrionⅦ型混合動(dòng)力車。預(yù)測(cè)到2010年，NYCT將有接近1700輛的混合動(dòng)力車，NYCT將有世界上最大的混合公交車隊(duì)。

   參入AVTA項(xiàng)目的其它混合動(dòng)力公交公司

    1. 金縣城市交通局(King County Metro)

    金縣城市交通局KCMT為華盛頓州金縣提供交通服務(wù)。從1990年開(kāi)始，金縣城市交通局為減少公交運(yùn)行時(shí)間及減輕擁堵，在西雅圖市區(qū)下開(kāi)通一條2.09km長(zhǎng)的地下公共汽車隧道并使用雙模式公共汽車在其通行(即在隧道內(nèi)通過(guò)架空電纜使用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，在地上使用發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng))。為了降低運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，金縣城市交通局在2002年改用New Flyer公司的鉸鏈?zhǔn)匠鞘锌蛙嚒Ｔ撥囍饕獏?shù)見(jiàn)表2。該車采用通用的Allison Transmission生產(chǎn)的并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，如圖3所示。該系統(tǒng)有柴油機(jī)和電機(jī)兩種驅(qū)動(dòng)模式，可單獨(dú)使用，也可以同時(shí)使用。柴油機(jī)將提供主要的能量輸出，在爬坡、加速及其它需要大功率輸出情況電機(jī)將輔助驅(qū)動(dòng)。電機(jī)可以獨(dú)立驅(qū)動(dòng)車輛起步。制動(dòng)時(shí)，電機(jī)為發(fā)電機(jī)的模式將能量回收儲(chǔ)存到電池中?；旌蟿?dòng)力控制模塊將協(xié)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)的工作，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在高效率區(qū)且將制動(dòng)能量回收，以提高燃油經(jīng)濟(jì)性、降低排放。

    2004年金縣城市交通局又訂購(gòu)213輛類型的車，另外，華盛頓Sound公交公司也訂購(gòu)了22輛。

    2. 印第安納波利斯公共交通公司(Indianapolis Public Transportation)

    印第安納波利斯公共交通公司(INDYGO)在印第安納波利斯擁有226輛車，運(yùn)營(yíng)28條公交線路。2003年8月，INDYGO在新的公交線路上使用5輛混合動(dòng)力城市客車，目的是在空氣質(zhì)量未達(dá)標(biāo)區(qū)域緩解交通擁堵和排放?？諝赓|(zhì)量控制項(xiàng)目Congestion Mitigation and Air Quality(CMAQ)提供了購(gòu)買混合動(dòng)力城市客車的資金。

    INDYGO采用加利福尼亞Downey生產(chǎn)的22座、低地板串聯(lián)插電式混合動(dòng)力城市客車Ebus。該混合動(dòng)力公交車使用Capstone Micro TrubineTM串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)，如圖4所示。數(shù)字功率控制器監(jiān)控蓄電池電量，當(dāng)電池電量不足時(shí)，使用一臺(tái)小型渦輪機(jī)為蓄電池充電，這樣可以增大公共汽車的續(xù)駛里程。同時(shí)可以對(duì)Ebus施行快速充電，僅需要大概1h的時(shí)間就可以將蓄電池電量充滿。

    3.諾克斯維爾交通公司(Knoxville Area Transit)

    諾克斯維爾交通公司KAT是田納西州諾克斯維爾市的主要交通運(yùn)營(yíng)商。為清潔能源項(xiàng)目通過(guò)降低車輛的排放而提高諾克斯維爾城市地區(qū)的空氣質(zhì)量，KAT其特定線路上使用了4輛丙烷混合動(dòng)力城市客車，同時(shí)車隊(duì)還擁有4輛輕型混合動(dòng)力車輛。同樣，空氣質(zhì)量控制項(xiàng)目Congestion Mitigation and Air Quality(CMAQ)也為KAT提供了購(gòu)買混合動(dòng)力城市客車的資金。

    KAT使用的混合動(dòng)力客車Ebus為加利福尼亞Downey生產(chǎn)的22座、低地板串聯(lián)式混合動(dòng)力城市客車Ebus。與前面不同的是，該種車型的小型渦輪機(jī)使用丙烷做為燃料將使排放更低，而且諾克斯維爾已經(jīng)建立了丙烷供應(yīng)站。

   結(jié)論與展望
    

    混合動(dòng)力車具有很好的節(jié)能環(huán)保性能，但其發(fā)展也面臨著許多問(wèn)題。其中，制約混合動(dòng)力公交車發(fā)展的主要因素是成本問(wèn)題，其包括購(gòu)置成本及使用成本。當(dāng)前的混合動(dòng)力城市客車購(gòu)買及使有成本都要高于傳統(tǒng)城市客車。隨著混合動(dòng)力車規(guī)模化生產(chǎn)后，其售價(jià)將出現(xiàn)大幅度的下降。使用成本主要指的就是維修保養(yǎng)費(fèi)，由于混合動(dòng)力系統(tǒng)的不成熟導(dǎo)致許多新增加系統(tǒng)的維修成本過(guò)高。而成本問(wèn)題的解決需要的是技術(shù)上的突破，如性價(jià)比高壽命長(zhǎng)的動(dòng)力電池組的研制及優(yōu)良電池管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)控制策略的開(kāi)發(fā)等。

    我國(guó)可以通過(guò)政策引導(dǎo)、課題開(kāi)展(如美國(guó)自由轎車和車輛技術(shù)工程)、專項(xiàng)基金建立(如美國(guó)的緩解擁堵及空氣質(zhì)量控制項(xiàng)目)促進(jìn)混合動(dòng)力技術(shù)的研發(fā)及混合動(dòng)力公交車的示范運(yùn)營(yíng)，進(jìn)而促進(jìn)重度混合動(dòng)力技術(shù)的成熟及其在公交車上廣泛運(yùn)行，同時(shí)也促進(jìn)了混合動(dòng)力公交車的產(chǎn)業(yè)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)技術(shù)的不斷成熟與產(chǎn)業(yè)化之間形成良性循環(huán)。混合動(dòng)力公交車是混合動(dòng)力技術(shù)應(yīng)用的突破口，重度混合動(dòng)力技術(shù)的不斷進(jìn)步及其公交車的產(chǎn)業(yè)化也必將推動(dòng)混合動(dòng)力技術(shù)在轎車及其它車型上的運(yùn)用。