插電式混合動力電動汽車能耗特征研究*

杜建波，牛向春，李 洧，李孟良，彭文明，方茂東

(1.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300162;2.武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，武漢 430070)

前言

面向未來的電能社會，汽車廠家正在積極改進(jìn)混合動力技術(shù)。插電式混合動力電動汽車(PHEV)近年來發(fā)展迅速，被認(rèn)為是以電能替代石油燃料極具前景的解決方案。與傳統(tǒng)混合動力電動汽車(HEV)相比，PHEV的特點是在電池容量提高的同時，還增加了從家用電源到車輛充電的裝置。因此，PHEV能更好地利用電能并顯著降低石油燃料消耗［1］。能耗(燃料及電量消耗量)是評價PHEV性能的一個核心指標(biāo)，由于PHEV具有不同的行駛模式，因此其能耗特征與傳統(tǒng)汽車具有顯著差異［2］。本文中從法規(guī)試驗和道路試驗兩方面研究PHEV的能耗特征，并針對法規(guī)試驗提出了能反映PHEV實際使用的燃料消耗量曲線獲取方法。

1 PHEV能耗的法規(guī)測試方法

1.1 PHEV的工作模式

對于PHEV，其典型的工作模式包括電量維持(charge-sustaining，CS)模式和電量消耗(charge-de-pleting，CD)模式。電量維持模式指PHEV運行時只消耗燃料，同時保持儲能裝置的荷電狀態(tài)(SOC)在一定水平;電量消耗模式指PHEV運行時只消耗外接充電的電能，或者在消耗電能時還會輔助消耗燃料，直到進(jìn)入電量維持模式。

PHEV在充滿電后使用時，一般先以電量消耗模式(CD)運行，此時SOC不斷降低;當(dāng)SOC降到允許的下限時，PHEV進(jìn)入電量維持模式(CS)運行，此時SOC基本保持平衡。

1.2 美國PHEV能耗測試標(biāo)準(zhǔn)(SAE J1711—2010)

PHEV的能耗測試應(yīng)能體現(xiàn)其基本的工作模式，對于PHEV主要有兩種測試模式:一種是從電量維持(CS)模式開始測量，稱為電量維持試驗(CST);另一種是從充滿電后的電量消耗(CD)模式開始測量，稱為充滿電后試驗(FCT)。FCT從PHEV的最高SOC開始試驗，連續(xù)重復(fù)進(jìn)行一定數(shù)目的測試循環(huán)，直到SOC達(dá)到規(guī)定的水平［3］。

CST和FCT是PHEV的兩種典型測試模式，為了更好地反映實際能耗，須采用利用系數(shù)(UF)將兩種模式的測量結(jié)果進(jìn)行加權(quán)。UF為用戶日行駛里程不超過某一數(shù)值的統(tǒng)計概率。SAE J1711—2010不僅引入了UF，還對FCT的每一個測試循環(huán)的能耗，均采用UF進(jìn)行加權(quán)，以使法規(guī)試驗的結(jié)果能更接近實際能耗。

目前，SAE J1711—2010默認(rèn)的是用戶每天充電1次，主要考慮的是“每天多次充電”的概率與“每天沒有充電”的概率基本相當(dāng)。未來，該標(biāo)準(zhǔn)還將對用戶的充電習(xí)慣進(jìn)行調(diào)查并獲取更多的數(shù)據(jù)，研究加權(quán)計算的可能性。

1.3 歐盟PHEV能耗測試法規(guī)(ECE R101)

歐盟對PHEV的能耗測試分為最高SOC(條件A)和最低SOC(條件 B)兩種試驗?zāi)Ｊ剑?］。條件 B只測量1個循環(huán)，類似美國的CST。條件A有兩種測量方法，第1種只測量1個循環(huán);第2種連續(xù)重復(fù)測量一定數(shù)量的循環(huán)，直到儲能裝置達(dá)到最低SOC，在制造廠的要求下，可以增加試驗循環(huán)，并將增加循環(huán)的試驗結(jié)果納入到能耗計算，第2種試驗方法類似美國的FCT。歐盟標(biāo)準(zhǔn)也對兩種狀態(tài)的測量結(jié)果進(jìn)行加權(quán)計算。

2 法規(guī)試驗

2.1 試驗設(shè)計

我國的PHEV能耗測試標(biāo)準(zhǔn)基本采用歐盟ECE R101法規(guī)［5］。因此選擇1臺典型的PHEV按ECE R101的要求進(jìn)行試驗。最高SOC試驗按照ECE R101法規(guī)進(jìn)行3組試驗:第1種試驗方法(只測量1個NEDC循環(huán)，N=1)、第2種試驗方法(分別進(jìn)行2個和3個測試循環(huán)，N=2，3)。最低SOC試驗按照ECE R101法規(guī)的要求進(jìn)行1個測試循環(huán)。

2.2 最高SOC試驗

當(dāng)PHEV在最高SOC下連續(xù)進(jìn)行測試循環(huán)時，第3個測試循環(huán)的放電量已低于法規(guī)要求(測試循環(huán)的放電量小于電池額定儲存值的3%)。圖1的SOC示意圖顯示了隨著試驗的進(jìn)行，SOC不斷降低，當(dāng)SOC接近40%時達(dá)到電量維持模式，此時SOC在一個很小的范圍內(nèi)變動。

圖中的瞬時燃料消耗率顯示，在前兩個測試循環(huán)，雖然PHEV在EV續(xù)駛里程范圍內(nèi)，但當(dāng)車速達(dá)到100km/h時，發(fā)動機(jī)仍然起動，這是由該PHEV的控制模式?jīng)Q定的(主要是為了保護(hù)電池)。因此在NEDC循環(huán)中，若PHEV在未達(dá)到最低SOC的情況下發(fā)動機(jī)起動，則無法準(zhǔn)確測量NEDC工況下的EV續(xù)駛里程，ECE R101法規(guī)中最高SOC試驗的第1種方法也不適用。

2.3 最低SOC試驗

PHEV在最低SOC下的試驗，如圖2所示。由圖可見，在怠速和部分低速工況，PHEV以電能驅(qū)動，避免了發(fā)動機(jī)在市區(qū)低速工況下的頻繁起動，能有效地降低燃料消耗量和排放。

3 法規(guī)試驗?zāi)芎奶卣鞣治?/h2>

根據(jù)試驗設(shè)計，在最高SOC下分別進(jìn)行了1個、2個和3個測試循環(huán)試驗?？紤]到從第4個循環(huán)開始，單個測試循環(huán)的試驗?zāi)Ｊ揭呀?jīng)基本和最低SOC相同，因此，可以通過已有的試驗數(shù)據(jù)推算在最高SOC下進(jìn)行多個測試循環(huán)的結(jié)果。

歐盟法規(guī)根據(jù)最高SOC試驗進(jìn)行N個測試循環(huán)，與假定25km的最低SOC試驗進(jìn)行加權(quán)計算［6］。如果不采用25km的假定，單從最高SOC開始連續(xù)進(jìn)行N個測試循環(huán)來看，該試驗過程同時包含了美國SAE標(biāo)準(zhǔn)中的1個FCT測試循環(huán)和N－3個CST循環(huán)，其試驗結(jié)果相當(dāng)于按照美國SAE的標(biāo)準(zhǔn)對FCT和n個CST(n=N－3)循環(huán)進(jìn)行加權(quán)計算。

3.1 燃料消耗量與1次充電行駛里程的關(guān)系

不同數(shù)量的測試循環(huán)所得到的燃料消耗量見圖3。與傳統(tǒng)汽車不同，PHEV的燃料消耗量與測試循環(huán)的數(shù)目(即1次充電行駛里程)直接相關(guān)。PHEV充滿電后，能以EV模式行駛一定里程，此時燃料消耗量很低(N=1，2時)。隨著1次充電行駛里程的增加，燃料消耗量不斷增大，直到趨近于非插電式的普通HEV。

由于PHEV的EV續(xù)駛里程不便于在試驗時直接測得，根據(jù)PHEV燃料消耗量與1次充電行駛里程的關(guān)系，燃料消耗量曲線延長線與橫坐標(biāo)的交點位于EV續(xù)駛里程附近。

3.2 PHEV燃料消耗量與電量消耗量的關(guān)系

將法規(guī)試驗的燃料消耗量和其對應(yīng)的電量消耗量在圖上表示，兩者具有很好的線性關(guān)系，見圖4。只進(jìn)行1個和2個測試循環(huán)的試驗結(jié)果也示于圖中，此時，PHEV大部分時間是在EV模式下行駛。將圖中的數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合，與坐標(biāo)軸的交點即為純?nèi)剂舷牧?普通HEV模式)和純電量消耗量(EV模式)的數(shù)值。

4 道路試驗

4.1 試驗設(shè)計

組織PHEV車隊，根據(jù)單程通勤距離，選擇短途(0～15km)、中途(15～25km)和遠(yuǎn)途(25km以上)的用戶在天津參與實驗駕駛。對于短途和中途用戶，出行路線主要集中在城區(qū)，對于遠(yuǎn)途用戶，出行路線由城區(qū)和城郊道路組成。PHEV車隊行駛時間從2011年4月至2012年1月，基本覆蓋4個季節(jié)。

數(shù)據(jù)收集包括車載記錄儀和用戶手工記錄，根據(jù)手工記錄的加油量和充電量對車載記錄儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)行駛片段的選擇

為了得到燃料消耗量與1次充電行駛里程的對應(yīng)關(guān)系，須對PHEV的行駛工況進(jìn)行分類，并確定一個標(biāo)準(zhǔn)的行駛片段作為分析的基礎(chǔ):即將PHEV充滿電后行駛，并直到下一次充電的區(qū)間規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)行駛片段，見圖5。

當(dāng)PHEV充滿電時，若電池電量未用完即再充電，該片段也屬于標(biāo)準(zhǔn)行駛片段。此時，PHEV的燃料消耗量接近于0。該類型的行駛片段代表1次充電行駛里程在PHEV的EV續(xù)駛里程范圍之內(nèi)的行駛模式。在實際使用過程中，還會出現(xiàn)PHEV未充滿電就再次使用的情況。這些行駛片段的燃料消耗量與充電程度和行駛距離相關(guān)，因此在分析燃料消耗量與1次充電行駛里程的對應(yīng)關(guān)系時，未考慮這些非標(biāo)準(zhǔn)的行駛片段。

標(biāo)準(zhǔn)行駛片段代表了PHEV實際行駛中最普遍的行駛模式，每一個標(biāo)準(zhǔn)行駛片段的里程即為1次充電(充滿)行駛里程。

5 道路試驗?zāi)芎奶卣鞣治?/h2>

5.1 燃料消耗量與1次充電行駛里程的關(guān)系

PHEV車隊近10個月實際行駛的燃料消耗量分布見圖6。道路試驗的燃料消耗量按春、秋、夏、冬依次增大，春、秋、夏三季較為接近，冬季燃料消耗量明顯增大。與法規(guī)試驗相比，各車的數(shù)據(jù)點離散程度較大，因為實際行駛時的環(huán)境溫度、道路工況和駕駛習(xí)慣相對試驗室均有不同程度的差異。而春、秋季的燃料消耗量趨勢，與圖3所示的法規(guī)試驗基本吻合。

環(huán)境溫度對PHEV燃料消耗量的影響主要體現(xiàn)在空調(diào)的使用上。統(tǒng)計PHEV車隊空調(diào)消耗的功率發(fā)現(xiàn)，在常溫(20℃左右)下，空調(diào)消耗功率很低，溫度高于30℃或者低于10℃時，空調(diào)消耗功率明顯增加。以天津為例，冬季氣溫低于10℃的天數(shù)明顯多于夏季氣溫超過30℃的天數(shù)，因PHEV在冬季燃料消耗量相對夏季明顯增加。

5.2 燃料消耗量與電量消耗量的關(guān)系

部分車輛春季和冬季的燃料消耗量與電量消耗量見圖7。春季和冬季數(shù)據(jù)分別沿帶狀分布，其中春季數(shù)據(jù)帶狀區(qū)域走勢與圖4所示的法規(guī)試驗數(shù)據(jù)較為接近，只是離散程度較大，這也反映了法規(guī)試驗與實際行駛的差異。冬季的燃料消耗量和電量消耗量普遍比春季高，離散程度更明顯。

在實際行駛過程中，PHEV如果經(jīng)常充電，在EV狀態(tài)下行駛比例高，則燃料消耗量將顯著降低，同時電量消耗量增加;如果PHEV不經(jīng)常充電，在低SOC行駛比例較多，則燃料消耗量增加，同時電量消耗量降低。

6 結(jié)論

(1)由于PHEV具有不同的行駛模式，因此其能耗特征較傳統(tǒng)車輛復(fù)雜。PHEV的燃料消耗量與1次充電行駛里程密切相關(guān)，當(dāng)1次充電行駛里程小于EV續(xù)駛里程時，燃料消耗量接近0，電量消耗量為最大值;隨著1次充電行駛里程的增加，燃料消耗量逐漸與普通HEV相當(dāng)，電量消耗量逐漸降低。此外，行駛工況、駕駛習(xí)慣和季節(jié)因素也是PHEV燃料消耗量的重要影響因素。法規(guī)試驗表明，PHEV燃料消耗量和電量消耗量具有較好的線性相關(guān)性。

(2)關(guān)于PHEV的能耗測試，我國標(biāo)準(zhǔn)采用的是歐盟法規(guī)，其中第2種試驗方法與第1種試驗方法相比，對能耗評價考慮的因素更多一些;而美國SAE標(biāo)準(zhǔn)還引入了利用系數(shù)的加權(quán)計算方法，其能耗評價更貼近用戶的實際使用情況。但無論哪種試驗方法，都是在規(guī)定的運轉(zhuǎn)循環(huán)下在底盤測功機(jī)上進(jìn)行試驗，其測量結(jié)果與用戶實際使用均有一定的差異。

(3)目前我國標(biāo)準(zhǔn)和歐盟法規(guī)只是根據(jù)加權(quán)計算得到簡單的試驗結(jié)果，無法對PHEV的實際使用進(jìn)行客觀分析。按法規(guī)試驗進(jìn)行多個試驗循環(huán)并進(jìn)行擴(kuò)展，能得出接近常溫狀態(tài)下(如春、秋季)實際使用PHEV的燃料消耗量曲線和對應(yīng)的電量消耗量。但對于空調(diào)使用較多的冬季和夏季，法規(guī)試驗還不能很好地反映實際情況。因此未來在標(biāo)準(zhǔn)中補(bǔ)充空調(diào)試驗是非常必要的。

(4)道路試驗?zāi)軐HEV實際使用的能耗進(jìn)行客觀全面的分析，能更直接地反映其技術(shù)水平與技術(shù)優(yōu)勢。PHEV道路能耗評價須考慮不同出行距離、充電習(xí)慣、駕駛習(xí)慣和季節(jié)因素對能耗的影響，試驗數(shù)據(jù)可用于評估不同情境模式下的PHEV整體能耗消減和社會環(huán)境效益。

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［2］ Gonder Jeff，Brooker Aaron D，Barney Carlson Richard，et al．Deriving In-Use PHEV Fuel Economy Predictions from Standardized Test Cycle Results［C］．The 5th IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference．Dearborn:Michigan，2009．

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［4］ Uniform Provisions Concerning the Approval of Passenger Cars Powered by an Internal Combustion Engine Only，or Powered by a Hybrid Electric Power Train with Regard to the Measurement of the E-mission of Carbondioxide and Fuel Consumption and/or the Measurement of Electric Energy Consumption and Electric Range，and of Categories M1and N1Vehicles Powered by an Electric Power Train Only with Regard to the Measurement of Electric Energy Consumption and Electric Range［S］．ECE R-101 Rev．2 Amend．2，2009．

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［6］ 秦孔建，陳海峰，方茂東，等．插電式混合動力電動汽車排放和能耗評價方法研究［C］．//2010中國汽車工程學(xué)會年會優(yōu)秀論文集，北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010．